Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung von Stickoxidenen (NOx) bei der Verbrennung von Kraftstoff in Ottomotoren, Dieselmotoren, Gasturbinen, Heizkesseln usw. verwendet.
Diese Reduktion ist nötig, um speziell bei Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Besondere Bedeutung hat die AGR bei magerem Verbrennungsgemisch.
Funktionsweise
Ein Teil des Abgases wird durch ein Rohr mit Steuerventil (Abgasrückführungsventil) wieder der Frischluft zugemischt (externe AGR), oder Abgas wird bei Kolbenmaschinen während des Ansaugtaktes durch ein offenes Auslassventil wieder angesaugt (interne AGR). Das entstehende Gemisch aus Frisch- und Abgas besitzt einen bezogen auf das Volumen niedrigeren Brennwert und erreicht daher nicht mehr die für die Stickstoffoxidbildung erforderliche Temperatur im Brennraum. Nachteilig hingegen ist die vermehrte Bildung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei der Verbrennung. Eine Lambdasonde, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas misst und die Kraftstoffzufuhr regelt, und die Verwendung eines Fahrzeugkatalysator können diese unerwünschten Emissionen minimieren. Die Abgasrückführung findet nur im Teillastbereich statt.
Eine noch bessere Reduktion von Stickoxiden kann erreicht werden, wenn das Abgas vor der Beimengung in einem Abgasrückführungskühler gekühlt wird. Diese Kühlung wird aufgrund der zusätzlichen Kosten nur bei leistungsstärkeren, teureren Motoren durchgeführt.
Die interne AGR wird über verstellbare Nockenwellen gesteuert.
Bei OBD-Fahrzeugen erfolgt die Überwachung der Abgasrückführung (je nach Fahrzeughersteller) über Temperaturfühler im Ansaugkanal, Druckfühler im Ansaugkanal oder Potentiometer am Abgasrückführventil. Die Sensoren melden dem Steuergerät, ob das System funktioniert. Bleibt die Rückmeldung aus, wird vom Steuergerät die OBD-Lampe angesteuert.
Verbreitung
Im Nutzfahrzeugbereich ist eine gekühlte AGR quasi Standard bis zur Abgasnorm Euro 3. Ab Euro 4, welche im Oktober 2005 für neu entwickelte Fahrzeugtypen zur Pflicht wurde, gibt es die gekühlte AGR zum Teil noch bei MAN und Scania. Andere Hersteller setzten auf das aufwendigere Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Die AGR ist eine innermotorische Maßnahme, um durch das Herabsetzen der Verbrennungstemperatur die Stickoxidbildung während der Verbrennung zu verringern.
Die Abgasrückführung wird darüber hinaus auch bewusst zum Absenken des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im Teillastbereich bei Ottomotoren eingesetzt. Das Hinzufügen nicht brennbaren Gemisches ermöglicht es, bei gleicher gewünschter Motorleistung die Drosselklappe weiter zu öffnen und die Strömungsverluste an dieser Stelle zu verringern. Bei vernünftigem Einsatz einer Abgasrückführung kann der Verbrauch in der Teillast ohne Nachteile in der Fahrbarkeit um bis zu 5% abgesenkt werden. Hierzu werden aber diagnostizierbare AGR-Systeme benötigt (Lagerückmeldung des offenen Ventilquerschnitts oder indirekte Überwachung über den Luftmassenmesser). Die maximalen Abgasrückführungsraten betragen bei Dieselmotoren etwa 50%, bei Ottomotoren etwa 20 bis 30%. Bei modernen PKW werden vermehrt NOx-Speicherkatalysatoren eingebaut, um die zukünftigen Abgasnormen zu erfüllen.
Zielkonflikt
Generell besteht ein Zielkonflikt zwischen geringen Ruß- und Stickoxid-Emissionen. Erstere entstehen vermehrt bei geringen Brennraumtemperaturen, während sich bei hohen Temperaturen deutlich mehr NOx bildet. Die durch die AGR verringerten Verbrennungstemperaturen erfordern also z. B. bei neuen Euro-4/5-Fahrzeugen Partikelfilter. Auch die Leistung wird durch AGR negativ beeinflusst, die höchstmögliche Leistung kann mit Rücksicht auf die Stickoxid-Emissionen nicht erreicht werden
So setzen die meisten Nutzfahrzeughersteller inzwischen auf SCR, um diesen Zielkonflikt zu umgehen. Dabei wird der Motor auf maximale Leistung und minimale Rußbildung optimiert, was beides nur bei hohen Verbrennungstemperaturen möglich ist. Das dadurch entstandene Stickoxid wird dann in einem zweiten Schritt im SCR-Katalysator umgewandelt.
Das Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) ist ein Bestandteil einer modernen Motorsteuerung. Es ist ein entweder pneumatisch oder elektrisch verstellbares Ventil, welches eine Verbindung zwischen Abgas- und Ansaugluftkanal darstellt. Oder einfacher: Ein Teil des Abgases wird aus dem Auspuff wieder in den Motor zurückgeleitet.
Das Verfahren der Abgasrückführung wird verwendet um einen Teil der Schadstoffemissionen, nämlich die Stickoxide (NOx), von Ottomotoren und Dieselmotoren zu senken.
Bei sehr hohen Verbrennungstemperaturen im Motor verbindet sich der in der Luft enthaltene Stickstoff (N) mit dem Sauerstoff (O) – es „verbrennt“ quasi der Stickstoff – und es entstehen die giftigen Stickoxide.
Mit Hilfe der Abgasrückführung senkt man den Sauerstoffgehalt des Gases für den Verbrennungsprozess im Motor. Indirekt wird dadurch die Verbrennungstemperatur gesenkt und es entstehen weniger Stickoxide.
Nachteil dieser Maßnahme ist eine Erhöhung anderer Schadstoffe im Abgas – der Kohlenwasserstoffe (Abk.: HC). Weil nicht ausreichend Sauerstoff zur Verbrennung des gesamten Kraftstoffes zur Verfügung steht, verbrennt dieser nicht vollständig. Folge ist die Erhöhung von HC im Abgas. Dies wird jedoch effizient im Katalysator „nachverbrannt“, so dass ein großer Teil dieser giftigen Stoffe ebenfalls nicht in die Umwelt gelangen kann.
Abgeleitet von der englischen Bezeichnung Exhaust Gas Recirculation, spricht man auch häufig von EGR synonym zu AGR.
Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, der nach dem 1892 von Rudolf Diesel erfundenen Verfahren arbeitet. Das charakteristische Merkmal ist die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes in der heißen, komprimierten Verbrennungsluft. Das Verfahren wurde bei der Firma MAN in Augsburg von Rudolf Diesel entwickelt. Ein Dieselmotor wird überwiegend als Hubkolbenmotor, selten als Wankelmotor, ausgeführt.
Eine Einspritzpumpe ist eine Dosierpumpe für hohen Druck und ist Bestandteil der Einspritzanlage in Verbrennungsmotoren. Sie wird beim Ottomotor zur Benzineinspritzung verwendet (als Alternative zum Vergaser) oder beim Dieselmotor zum Einspritzen des Dieselkraftstoffs benötigt (als Alternative heute: Common Rail).
Die Einspritzpumpe stellt pro Hub eine definierte Menge Kraftstoff mit dem nötigen Druck bereit, um Kraftstoff durch das Einspritzventil in den Brennraum zu fördern.
Auch mit flüssigen Treibstoffen betriebene Gasturbinen und Raketen benötigen definierte Treibstoffmengen mit teilweise hohem Druck. Die dabei eingesetzten Pumpen werden jedoch nicht als Einspritzpumpen bezeichnet.
Eine Kurbelwelle setzt in Kolbenmaschinen die oszillierend lineare (translatorische) Bewegung eines oder mehrerer Kolben mit Hilfe von Pleuelstangen in eine Drehbewegung um (oder umgekehrt). Die für die Umwandlung der Bewegung erforderlichen Bauteile ergeben zusammen den Kurbeltrieb. Man unterscheidet gebaute, also aus Einzelteilen zusammengesetzte, und geschmiedete oder gegossene, also aus einem Stück hergestellte Kurbelwellen.
Wellenzapfen. Diese laufen in den Grundlagern (Hauptlagern) und definieren die Drehachse der Welle.
Hubzapfen, die die Schubstangen (Pleuel) aufnehmen. Sie beschreiben im Betrieb eine Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle. Der Durchmesser dieser Kreisbahn entspricht genau dem Kolbenhub der Kolben.
Kurbelwangen, die die Hubzapfen mit den Wellenzapfen verbinden.
Zur Auswuchtung dienen in der Regel Gegengewichte, die an den Wangen angebracht werden (z. B. bei Reihenmotoren).
Die rotierenden Massenkräfte werden vollständig und die oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung werden üblicherweise zu 50 % durch Anbringung von Gegenmassen ausgeglichen. Dies hat jedoch den Effekt eines höheren Gewichtes der Kurbelwelle. Eine weitere Reduktion oszillierender Massenkräfte erster und zweiter Ordnung erfolgt nicht über Maßnahmen an der Kurbelwelle, sondern über den Lancaster-Ausgleich.
Die Folge Wange - Hubzapfen - Wange wird als Kurbelwellenkröpfung bezeichnet.
Um zu Schmierungszwecken Motoröl innerhalb der einteiligen Kurbelwelle an die Haupt- und Pleuellager leiten zu können, ist die Kurbelwelle hohlgebohrt, das Öl wird durch ein Hauptlager zugeführt und tritt dann durch Bohrungen in den Wellen- und Hubzapfen aus. Bei gebauten Wellen sind die Haupt- und Pleuellager keine Gleitlager, sondern Wälzlager, diese benötigen keine Druckölschmierung, sondern werden durch den Ölnebel im Zylinder-Kurbelgehäuse mit Schmierstoff versorgt.
Die Kurbelwelle hat die Aufgabe, die Kolbenkräfte, die über die Pleuelstange geleitet werden, aufzunehmen, diese in ein Drehmoment umzuwandeln und das Drehmoment über die Kupplung an das Getriebe weiterzuleiten.
Ein Luftmassenmesser oder kurz LMM (auch mass air flow meter (MAF), Luftmassensensor bzw. LMS) ist ein in der Regelungs- und Messtechnik eingesetzter Durchflusssensor, der die Masse der pro Zeiteinheit durchströmenden Luft (den Massenstrom) bestimmt.
Der gemessene Massestrom der Luft ist proportional zur molaren Menge des enthaltenen Sauerstoffes und kann daher zur Regelung von Verbrennungsprozessen, insbesondere in Verbrennungsmotoren, herangezogen werden.
Gleichwertig mit dem Massestrom ist der auf den Normzustand der Luft bzw. des Gases bezogene Volumenstrom.
Wirkungsweise thermischer LMM
Der LMM-Geber ist bei Fahrzeug-Verbrennungsmotoren üblicherweise hinter dem Luftfilter im Ansaugrohr positioniert, um die pro Zeiteinheit zur Verbrennung zur Verfügung stehende molare Masse der Luft zu bestimmen.
Übliche Sensoren arbeiten thermisch nach dem Prinzip eines Hitzdrahtanemometers; innerhalb des Sensors befinden sich zwei durch elektrischen Strom beheizte Platindrähte oder -schichtwiderstände. Einer wird direkt von der vorbei strömenden Luft gekühlt, der andere befindet sich abgeschirmt.
Durch den elektrischen Stromfluss erhitzen sich beide Widerstandselemente, die vorbei strömende Ansaugluft kühlt das nicht abgeschirmte Heizelement jedoch stärker als das von der Ansaugluft abgeschirmte. Dieses heizt sich daher stärker auf und wird dadurch hochohmiger.
Aus den Widerstandswerten der beiden Heizelemente und deren Differenz lassen sich mittels eines Kennfeldes unter Einbeziehung weiterer Motorkenndaten folgende Werte ableiten:
Temperatur der Ansaugluft
Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft
Massestrom der Ansaugluft (molare Masse pro Zeit)
Nach Passieren des LMM wird die Ansaugluft je nach Art des Motors entweder über die Motoraufladung (Turbolader oder Kompressor) oder direkt über die Ansaugrohre dem Verbrennungsmotor zugeführt.
Bedeutung für die Motorsteuerung
Das Motormanagement moderner Diesel- und Ottomotoren in Kraftfahrzeugen erfordert die Bestimmung der pro Zylinderfüllung zur Verfügung stehenden molaren Luft- bzw. Sauerstoffmasse, um die maximal einzuspritzende bzw. zuzumischende Kraftstoffmenge zu ermitteln. Der Massestrom ist nicht nur von der Motordrehzahl abhängig, sondern auch von der Motortemperatur, der Lufttemperatur und vom Umgebungs-Luftdruck.
Weiterhin hat der autonom arbeitende Abgasturbolader einen starken Einfluss auf die angesaugte Luftmenge, da er vom Abgas angetrieben wird und somit einige Zeit zum Hochlaufen und Abtouren braucht. Seine Fördermenge ist nicht nur abhängig von der Motordrehzahl, sondern auch von der Belastung des Motors.
Eine geregelte Abgasreinigung (Katalysator) erfordert eine Sauerstoffsonde (Lambdasonde) und/oder einen LMM, so dass heutzutage in nahezu allen Kraftfahrzeugen mit Schadstoffreduktion – gleich, ob Benziner oder Diesel – ein LMM zum Einsatz kommt.
In Kraftfahrzeugen älteren Baudatums wurden noch mechanische Luftmengenmesser (s.o.) eingesetzt. Bei Turbodieselmotoren (u.a. Golf II) erfolgte das z.B. durch eine (Unter)druckmessung zwischen Luftfilter und Turbolader.
Ausfall/Defekt
Bei Ausfall des LMM muss die Motorsteuerung diesen Defekt erkennen. Das erfolgt anhand von unplausiblen Messwerten, welche dann ein sogenanntes Notlaufprogramm aktivieren. Zweck ist,
den Motor vor Überlastung zu schützen
die Umwelt vor unnötiger Belastung zu bewahren
die Fahrerin/den Fahrer mittels OBD-Motorwarnlampe (On Board Diagnostic, „Check Engine“) und auf Grund der stark reduzierten Motorleistung zum Werkstattbesuch zu motivieren.
Ausfälle des LMM können unter anderem durch folgende Ereignisse gefördert werden:
Durchschlag von Gischt-Wasser durch den Luftfilter bei schneller Fahrt im Starkregen
Zurückströmen von Öldämpfen aus der Kurbelgehäuseentlüftung kurz nach dem Abstellen des Motors
Undichtheiten auf der Reinluftseite vor dem LMM, wodurch der LMM von Sand und sonstigen Partikeln beschädigt wird (Luftfilter)
Diese Ereignisse führen längerfristig zu Funktionsbeeinträchtigungen, da sich Fremdstoffe auf dem Messelement absetzen. In der Praxis misst der LMM dann eine zu geringe angesaugte Luftmasse. Da diese eine Hauptsteuergröße für die Berechnung der Einspritzmenge ist, wird weniger Kraftstoff eingespritzt und die Motorleistung sinkt.
Zeitweise geringfügig inkorrekte LMM-Messwerte führen zu vielfältigen Symptomen, die von Fahrer und Werkstatt nicht immer einfach zuzuordnen sind. Da geringfügige LMM-Defekte seitens der Motorelektronik nicht zwangsläufig im Fehlerspeicher protokolliert werden und somit für die Werkstatt nicht über den Diagnose-Stecker abrufbar sind, konnten LMM-Defekte seitens einiger KFZ-Betriebe zu Beginn der Motorengeneration mit Abgasregelung nach OBD2/Euro2/Euro3-Norm erst nach aufwendiger Fehleranalyse lokalisiert werden.
Indikatoren für eine beeinträchtigte Funktion sind vor allem bei Dieselmotoren verminderte Leistungen im mittleren Drehzahlbereich. Diese so genannten „Durchzugslöcher“ zeigen sich bei voller Beschleunigung vor allem im Bereich des maximalen Drehmomentes, welche oft als fühlbar ungleichmäßige Beschleunigung im dritten Gang beschrieben wird, die Maximalleistung bei Nenndrehzahl (und damit die Endgeschwindigkeit) wird nur selten beeinträchtigt. Darüber hinaus kann eine so genannte „Wetterfühligkeit“ des Motors („läuft bei Nässe deutlich schlechter“) auftreten.
Einige PKW-Ottomotoren beginnen bei nicht plausiblem Signal zuweilen zu „sägen“, d.h. die Drehzahl steigt im Standgas in Sekundentakt an und fällt wieder ab. Aber auch Zündaussetzer in Verbindung mit schlechter Gasannahme und „Patschen“ ins Saugrohr können ein Indiz für einen defekten LMM sein. Bei manchen Fahrzeugen ist es möglich, durch Trennen der elektrischen Steckverbindung den LMM zu identifizieren. Das Motormanagement erkennt die Unterbrechung und anhand abgespeicherter Kennfelder kann es aus Motordrehzahl, Drosselklappenwinkel, Ansauglufttemperatur, Luftdruck und Ladedruck annähernd die angesaugte Luftmasse berechnen. Das führt dazu, dass das Fahrzeug besser läuft als mit angestecktem defektem LMM. Das funktioniert aber nur bei Fahrzeugen, deren Motormanagementsystem auf diesen erkannten Fehler nicht mit einem Notlaufprogramm reagiert.
Eine Nockenwelle ist ein Maschinenelement in Form eines Stabes (= „die Welle“), auf dem mindestens ein gerundeter Vorsprung (= „der Nocken“) angebracht ist. Die Welle dreht sich um die eigene Achse, durch den oder die auf ihr angebrachten Nocken wird diese Drehbewegung wiederholt in eine kurze Längsbewegung umgewandelt. In Standardbauweise verlaufen die Nockenkonturen parallel zur Nockenwelle, es sind jedoch auch „angeschrägte Nocken“ realisiert worden.
Die Nockenwelle wird in Nockenschaltern und Steuerungen, hauptsächlich jedoch in Hubkolbenmotoren (Verbrennungsmotor) verwendet; hier ist sie Teil des Ventiltriebes, sie wird verwendet, um die Ein- und Auslassventile nach konstruktionsmäßigen Steuerzeiten zu öffnen.
In älteren Einspritzpumpen dienen Nockenwellen auch zur Kraftstoffzumessung zu den einzelnen Saugrohren oder Zylindern.
Auf Nockenwellen von Hubkolbenmotoren gibt es meistens für jedes Ventil einen exzentrischen Nocken, der das Ventil in die geöffnete Stellung drückt. Wenn der Nocken weiter gedreht ist, schließt sich das Ventil durch die Ventilfeder. Dabei drückt die Nockenwelle nicht genau auf die Mitte des Ventils, sondern etwas seitlich. Dadurch wird das Ventil immer leicht gedreht, und es bilden sich keine unregelmäßigen Druckstellen durch den Nocken. Ein Nocken kann auch mehrere Ventile betätigen; sogar die Betätigung von Einlass- und Auslassventilen durch einen einzigen Nocken je Zylinder ist realisiert worden, jedoch sind bei solchen Konstruktionen die Steuerzeiten für Einlass und Auslass nicht unabhängig voneinander wählbar. Ein separater Öffnungs- und Schließ-Nocken je Ventil kann der zwangsläufigen Ventilbetätigung dienen. Es sind auch Nockenwellen konstruiert worden, die nicht rotieren, sondern nur um weniger als eine volle Umdrehung hin- und herschwenken.
Nockenwelle, Tassenstößel, und je zwei ineinander liegende VentilfedernBei Viertakt-Motoren in Standardbauweise – mit Ausnahme von Sternmotoren – dreht sich die Nockenwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle, von der sie meist mittels Kettentrieb und Steuerkette oder mittels Zahnriemen, seltener durch eine sogenannte Königswelle oder einen Zahnrädersatz angetrieben wird. Da die Nockenwelle sich mit halber Geschwindigkeit gegenüber der Kurbelwelle dreht, ist das Übersetzungsverhältnis der Steuerräder 2:1.
Bei Sternmotoren ist die Nockenwelle koaxial zur Kurbelwelle angeordnet; wegen der etwas anderen Gestaltung – kurz, aber mit großem Durchmesser – wird sie hier als „Nockentrommel“, „Nockenscheibe“ oder „Nockenring“ bezeichnet. Weil alle Auslass- bzw. Einlass-Nocken einer Nockentrommel alle Auslass- bzw. Einlass-Ventile eines Zylinder-Sterns betätigen, ergeben sich hier andere Drehzahl- und Übersetzungsverhältnisse, siehe Nockentrommel.
In Standardbauweise liegen Nockenwellen parallel zur Kurbelwelle, jedoch sind auch Anordnungen von Nockenwellen, die senkrecht zur Kurbelwelle „stehen“, realisiert worden, z. B. bei Chater-Lea-Motorrädern und Konstruktionen von Richard Küchen, etwa für den Zündapp-Motorradprototyp SS 600. Diese Anordnung bietet häufig Anlass zur Verwechslung mit Königswellen.
Beim Pumpe-Düse-Verfahren für Dieselmotoren (Volkswagen-Gruppe und LkW-Motoren) erzeugt je Zylinder ein weiterer Nocken zusätzlich den Einspritzdruck. Der Vorteil ist der sehr hohe mögliche Einspritzdruck im Vergleich zur Einspritzung durch Common Rail. Gezielte Voreinspritzungen sind bei Pumpe-Düse-Systemen technisch ebenfalls möglich, jedoch aufwändiger zu realisieren.
Vierzylinder-Ottomotor mit obenliegender Nockenwelle, je zwei Ventilen pro Zylinder und HydrostößelnZwischen Nocken und Ventil können sich weitere Maschinenelemente befinden, z. B. Stößelstangen, diese fast nur bei untenliegenden Nockenwellen; Kipphebel, Schlepphebel oder Schwinghebel zur Kraftumleitung und Stößel zur Kraftübertragung in verschiedenen Bauformen. Durch Nockenwellenversteller können die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Ventile während des laufenden Betriebes an den Leistungsbedarf angepasst werden. Damit können Leistung und Drehmoment gesteigert und im Teillastbereich der Verbrauch gesenkt werden. Nockenwellenversteller verdrehen die gesamte Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle.
Alle diese oszillierenden (hin und her bewegten) Bauelemente müssen bewegt werden, kosten Leistung und erhöhen die Massenkräfte. Wenn man die Nockenwelle direkt über den Ventilen einbaut (obenliegende Nockenwelle) und für jede Ventilreihe eine eigene Nockenwelle verwendet (doppelte obenliegende Nockenwelle/DOHC), kann die Anzahl der oszillierenden Bauteile reduziert werden, die Massenkräfte werden geringer, und eine höhere Drehzahl ist möglich.
Bei Berechnung, Auslegung und Fertigung von Nockensteuerungen müssen Kompromisse eingegangen werden: Zum Einen möchte man das Ventil für einen guten Gasdurchsatz weit öffnen; dies aber erhöht die im Umlauf entstehenden Kräfte auf den Ventiltrieb, auch muss eine Kollision des Ventils mit dem Kolben vermieden werden. Des Weiteren möchte man für hohen Gasdurchsatz ein Ventil lange (über einen großen Winkel pro Umlauf) geöffnet halten; es muss aber andererseits noch Gelegenheit zur Verdichtung vorhanden sein.
All die gegenseitigen Beeinflussungen setzen der Variation von Nockenkurven (Konstruktion, Tuning oder „Umschleifen“) zur Leistungserhöhung enge Grenzen. Ein Motor mit hin zu hoher Leistung geänderten („getunten“) Nocken-Parametern wird eine höhere Leerlaufdrehzahl benötigen, sein maximales Drehmoment ist zu höheren Drehzahlen verschoben, er wird unruhiger laufen und mehr verbrauchen. Das früher öfter praktizierte Umschleifen der Nockenprofile ist heute nicht mehr üblich, für gängige Motoren beschafft man sich heutzutage eher eine spezielle Nockenwelle zur Leistungserhöhung.
Der Ottomotor ist ein nach Nikolaus August Otto benannter Verbrennungsmotor, bei dem der Kraftstoff während des Ansaugvorganges in die angesaugte Luft eingebracht wird, was ein zündfähiges Gemisch im Zylinder ergibt. Im Gegensatz zum Dieselmotor zeichnet sich ein Ottomotor durch eine aktive Zündvorrichtung aus.
Ist die Bezeichnung für einen Motor, dessen Zylinder hintereinander in Reihe stehen.
Die Zählung der Zylinder beginnt an der Gegenseite der Kraftabgabe des Motors. Dieses gilt nicht für deutsche Schiffsmotoren und stationäre Motoren. Es gibt allerdings japanische Hersteller, die auch an der Kupplungsseite zu zählen beginnen. Reihenmotoren sind die bei weitem am häufigsten verwendeten Bauformen bei Automobilen (PKW) und häufig auch in Lastkraftwagen (LKW) zu finden, sowie immer häufiger bei Motorrädern.
Vorteile
* einfacher Aufbau
* mit sechs Zylindern sehr ruhiger Lauf möglich; sämtliche Kräfte und Momente Erster und Zweiter Ordnung können maschinendynamisch ausgeglichen werden (bei Verwendung einer Kurbelwelle mit 120° Versatz)
* relativ kostengünstig zu produzieren
* auch mit Luftkühlung einfach realisierbar
* auf der Basis einer Grundkonstruktion sind Varianten von einem bis sechs Zylindern möglich (vgl. Deutz 912) – Modularisierung der Zylinder und Zylinderköpfe (Deutz-typische Bauart)
Nachteile
* erhöhter Platzbedarf im Motorraum bei Längseinbau sowie bei der längeren Sechszylinder-Version
* bei sechs oder mehr Zylindern sind die Drehschwingungen der Kurbelwelle schwieriger beherrschbar
* bei den sehr verbreiteten R4-Viertaktmotoren sind die freien Massenkräfte zweiter Ordnung nicht ausgeglichen. Dagegen kann ein Lanchester-Ausgleich verwendet werden.
Die Zündkerze erzeugt in Ottomotoren und beim Anlassen von Gasturbinen und Strahltriebwerken die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nötigen Zündfunken zwischen ihren Elektroden.
Sitzform und Gewinde
Es gibt nur Einheitsgrößen von Zündkerzen. Diese werden je nach Bauart und Größe des Motors eingesetzt. Die Zündkerzen unterscheiden sich in Länge, Durchmesser und Steigung des Zündkerzengewindes.
Gebräuchliche Gewinde sind:
M 10 × 1 SW 16
M 12 × 1,25 SW 18 (meist bei Motorrädern; in jüngster Zeit zunehmend auch bei Autos)
M 14 × 1,25 SW 20,8 (bei den meisten Autos)
M 18 × 1,5 SW 26 (relativ selten bei Automotoren, oft bei alten Zweitaktern; Standard bei Flugzeugmotoren)
Neben unterschiedlichen Gewinden gibt es auch verschiedene Sitzformen. Die klassische Ausführung weist einen flachen Sitz mit Dichtring auf. Neben dieser Form kommen aber auch Kerzen mit Kegelsitz zum Einsatz, welche keinen Dichtring benötigen.
Wärmewert
Der Wärmewert wird im Typencode als Zahl angegeben. Dieser Wert steht für die maximale Betriebstemperatur, die sich durch die Eigenschaft der Kerze einstellt, Wärme aus dem Brennraum aufzunehmen und abzuführen. Die Wärmezufuhr an der Zündkerze im Brennraum ist dabei vom jeweiligen Motortyp abhängig.
Der Wärmewert ist von elementarer Bedeutung, da eine Mindesttemperatur von etwa 400 °C nach dem Start des Motors so schnell wie möglich erreicht werden muss, damit die Zündkerze Rückstände auf dem Isolator „freibrennen“ kann, um so ein „Verrußen“ und damit einhergehende Zündungsaussetzer zu vermeiden (Freibrenngrenze). Andererseits darf jedoch an keinem Punkt der Kerze eine Höchsttemperatur von ca. 900 °C (Glühzündungsbereich) überschritten werden, da der Motor sonst zu Selbstzündungen neigt, was sich durch Klopfen des Motors äußern würde. Daraus ergibt sich, dass der Wärmewert stets an die Wärmeentwicklung im Brennraum des Motors angepasst sein muss, damit sich an der Kerze die korrekte Betriebstemperatur einstellt.
Die Kennzahlen der Wärmewerte sind von Hersteller zu Hersteller verschieden. Bosch, BERU und Champion (Handelsmarke von ACDelco), verwenden hohe Kennzahlen für „heiße“ Zündkerzen, NGK und Denso hingegen niedrige; die Kennzahlen sind zwischen den Herstellern also nicht übertragbar. Aus diesem Grund geben die Hersteller in Tabellen bzw. auf ihren Webseiten den korrekten Wärmewert für die gängigen Fahrzeuge an. Veränderungen an der Verbrennung, wie durch Tuning-Maßnahmen (z. B. Verdichtung erhöhen) oder alternative Kraftstoffe (z. B. Autogas) verändern auch die Verbrennungstemperatur und damit den erforderlichen Wärmewert der Zündkerze. Manche Hersteller stellen auch diese Informationen zur Verfügung.
Eine „kalte“ Zündkerze führt möglichst viel Wärme über den Isolator und die Elektrode ab. Dabei ist der Keramikisolator kürzer als bei einer vergleichsweise „heißen“ Zündkerze, was zu einer niedrigeren Wärmeaufnahme und einer stärkeren Wärmeabfuhr über das Kerzengewinde führt. Verbundelektroden verbessern die Wärmeabfuhr weiterhin, beispielsweise durch eine Nickel-Elektrode mit einem gut wärmeleitenden Kupferkern. Eine „kalte“ Zündkerze gehört daher tendenziell zu einem leistungsstarken Motor mit hohem Wärmeeintrag in das Material der Zündkerze. Eine „heiße“ Zündkerze stellt das Erreichen der Freibrenntemperatur zuverlässig sicher und findet sich in niedrig belasteten Motoren. Ein längerer Isolatorfuß sorgt für die Wärmeaufnahme in die Kerze bei geringerer Wärmeabfuhr über das Kerzengewinde.
Das Zündkerzenbild
Wenn eine Zündkerze mehrere Betriebsstunden in einem Motor eingesetzt wird, so kann man an ihr durch das sogenannte „Kerzenbild“ oder „Kerzengesicht“ (das durch die Verbrennung veränderte Aussehen der im Brennraum befindlichen Zündkerzenteile) feststellen, ob der Motor korrekt arbeitet. Das ist auch heute noch uneingeschränkt möglich, wenngleich die Werkstätten heute lieber verschiedene Messgeräte einsetzen, um Fehler an Motoren festzustellen.
Zündkerze rehbraun:
Der Motor arbeitet einwandfrei, die Gemischzusammensetzung ist korrekt, der Wärmewert der Zündkerze passt. Keine Maßnahmen sind erforderlich.
Zündkerze abgebrannt:
Aggressive Kraftstoff- und Ölzusätze, Verbrennungsrückstände im Brennraum, mangelhafte Kraftstoffqualität, defekte Ventile oder Zündverteiler. Leistungsverlust gefolgt vom Totalausfall des Motors. Mögliche Verursacher überprüfen, anderer Kraftstoff.
Mittelelektrode abgebrannt:
Thermische Überlastung durch Glühzündung, Wärmewert der Kerze zu niedrig, Rückstände im Verbrennungsraum, zu früher Zündzeitpunkt, defekte Ventile oder Zündverteiler, schlechte Kraftstoffqualität. Kerze austauschen, Zündzeitpunkt prüfen, evtl. Kraftstoff wechseln.
Zündkerze glasiert:
Zusätze in Öl und Benzin bilden ascheartige Ablagerungen. Die Ablagerungen bewirken bei höherer Last Zündaussetzer. Motor einstellen, Markenzündkerzen verwenden.
Zündkerze mechanisch beschädigt:
Bei Motorschäden können sich Metallspäne auf der Zündkerze ablagern oder sie zerstören. Die Zündkerze sollte ausgetauscht werden. Bei wiederholter Beschädigung liegt ein mechanischer Defekt am Motor vor.
Zündkerze verkohlt:
Wärmewert der Zündkerze könnte zu hoch sein, Treibstoffgemisch ist zu fett, vorwiegender Einsatz auf Kurzstrecken, Choke zu lange gezogen (Startautomatik verstellt) oder Luftfilter verschmutzt. Bei passendem Wärmewert der Zündkerze die Gemischzusammensetzung einstellen (Vergaser oder Einspritzung justieren, evtl. Startautomatik prüfen)
Zündkerze verkrustet:
Bestandteile des Öls können Rückstände bilden, die sich auf der Zündkerze ablagern. Eventuell Ölsorte wechseln oder Motoreinstellung überprüfen. Bei 4-Takt-Motoren: Ölüberfüllung und/oder hoher Ölverbrauch durch verschlissene Motorkomponenten, fehlerhafter Motorentlüftung. Kolbenringe, Ventilschaftdichtungen, Motorentlüftung überprüfen. Kerze ist zu erneuern, da diese Ablagerungen nicht vollständig zu entfernen sind.
Zündkerze verschlissen:
Aggressive Kraftstoff- und Ölzusätze, ungünstige Strömungseinflüsse im Brennraum, Ablagerungen sowie mangelhafte Kraftstoffqualität. Die Folgen sind Zündaussetzer, besonders beim Beschleunigen und schlechtes Startverhalten. Verursacher überprüfen, Kraftstoffsorte wechseln.
Zündkerze verölt:
Zuviel Öl im Verbrennungsraum, Kolbenringe undicht, Ölstand zu hoch, Zündkerze undicht (lose, defekt)
Bei Zweitaktmotoren: Zuviel Öl im Kraftstoff durch falsches Öl/Kraftstoff-Mischverhältnis Zündkerzen anziehen, Motor überholen
Bei Zweitaktmotoren: Öl/Kraftstoff-Mischverhältnis überprüfen oder bei Getrenntschmierung Einstellung der Ölpumpe überprüfen
Zündkerze angeschmolzen oder weiß:
Thermische Überlastung durch Glühzündung oder zu heiße Verbrennung, Wärmewert könnte zu niedrig sein oder das Treibstoffgemisch zu mager, Motor neigt zum Klopfen Bei passendem Wärmewert der Zündkerze die Gemischzusammensetzung einstellen (Vergaser oder Einspritzung justieren). Eventuell Oktanzahl des Kraftstoffs überprüfen.
Zündkerze überbrückt:
Länger anhaltender Betrieb bei kaltem Motor/geringer Last; Gemisch zu fett. Bei verbleiten Kraftstoffen kann die Zündkerze durch Bleiablagerungen überbrückt sein. (Ruß-)Brücke mittels Holzspan entfernen, Motor warmfahren und mit größerer Last betreiben. Das Reinigen mit Drahtbürsten jedweder Art vermeiden, da Metallabrieb am Isolatorfuß wieder zu Funktionsstörungen führt.
Der Zündzeitpunkt kennzeichnet die Kurbelwellenstellung eines Verbrennungsmotors mit Fremdzündung (Benzinmotor), bei der der Zündfunke an der Zündkerze ausgelöst wird. Er wird entweder in “Grad Kurbelwinkel vor OT” (oberer Totpunkt = höchste Stellung des Kolbens im Zylinder) oder seltener in “mm vor OT” in Bezug auf den jeweiligen Kolben angegeben. In der Regel wird die Einstellung für alle Zylinder eines Motors anhand der Ausrichtung des ersten Zylinders vorgenommen.
Der optimale Zündzeitpunkt hängt von der Drehzahl und der Last, also des Unterdrucks im Ansaugkanal ab. Zum einen muss das Vorhandensein eines zündfähigen Gemisches an der Zündkerze gewährleistet sein und zum anderen ist die Flammausbreitung zu beachten. Der maximale Zylinderdruck muss nach dem oberen Totpunkt liegen, da sonst gravierende Motorschäden auftreten können. Da die Flammausbreitungsgeschwindigkeit von der Drehzahl unabhängig ist, wird der Zündzeitpunkt mit steigender Drehzahl nach Früh verlegt. Weiterhin tritt ein Zündverzug vom Zündzeitpunkt bis zur Entflammung des Gemisches in Höhe von etwa einer Millisekunde auf.
Diese Parameter bedingen ein komplexes Zündwinkelkennfeld, welches erst bei modernen, elektronisch gesteuerten Motoren in die Praxis umgesetzt werden konnte. Der Zündzeitpunkt liegt abhängig von der Drehzahl, der Last und des Arbeitprinzips (Zweitakt oder Viertakt) zwischen 6° und 40° Kurbelwinkel vor OT.
Messung des Zündzeitpunkts
Der Zündzeitpunkt kann mit Hilfe einer Stroboskoplampe (Blitzlichtlampe) sichtbar gemacht werden. Dazu wird die Zündspannung kapazitiv, induktiv oder galvanisch von der Zündanlage abgegriffen und genau beim Zündzeitpunkt ein Blitz erzeugt. Die Kurbelwelle erscheint dem Betrachter stillzustehen; der Zündwinkel kann an der Verschiebung der OT Markierung abgelesen werden.
Korrektur des Zündzeitpunkts
Besonders bei modernen Motoren ist eine Veränderung des Zündzeitpunkts nur noch mit Hilfe einer Programmänderung am Motor-Management möglich. Diese Programmänderung kann entweder durch Chiptuning (austauschen des Mikrochips, der das Zündwinkelkennfeld enthält) oder durch Eingreifen in das vorhandene Motorsteuergerät mittels einer geeigneten Software geschehen.
Bei Motoren, die noch über einen Zündverteiler verfügen, kann der Zündzeitpunkt durch leichtes Verdrehen des Zündverteilers korrigiert werden, der meist von der Nockenwelle angetrieben wird. Der Zündzeitpunkt wird konkret jedoch nicht vom Zündverteiler, sondern vom Zündunterbrecher (Unterbrecherkontakt) oder Hallgeber bestimmt. Da sich diese Bauteile im Verteiler befinden, wird der Zündpunkt durch verdrehen des gesamten Verteilers eingestellt.
Speziell bei Motorrad-Motoren ist häufig kein Zündverteiler vorhanden. Die Steuerung des Zündzeitpunktes findet hier entweder über einen einzigen Unterbrecherkontakt (bei Einzylindermotoren) statt, oder durch eine Impulsgeberspule. Ist die Impulsgeberspule oder der Unterbrecherkontakt zusammen mit der Lichtmaschine auf einer Platte montiert, kann der Zündzeitpunkt meist durch Verdrehen der kompletten Anordnung justiert werden.
In einfachen Motoren, wie sie beispielsweise in Motorsägen zum Einsatz kommen, kann der Zündzeitpunkt nur durch Austauschen des Zündmoduls verändert werden, welche in neueren Geräten ebenfalls elektronisch arbeiten und über ein drehzahlabhängiges Zündwinkelkennfeld verfügen.
