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Verdichtungsverhältnis: Wie wirkt es sich auf den Motor aus?

Engine pistons
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Das Verdichtungsverhältnis ist eine der grundlegenden Kenngrößen eines Kolbenverbrennungsmotors, die das Zylindervolumenverhältnis zwischen dem Kolben im unteren und dem Kolben im oberen Totpunkt angibt.

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 Gemisches und dem Volumen des im Zylinder komprimierten Gemisches.

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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 – Schlagvolumen

Der Kolben im Zylinder führt die Hin- und Herbewegung aus. Während die am weitesten von der Kurbelwelle entfernte Position seiner Bewegung als oberer Totpunkt bezeichnet wird, wird die am weitesten von der Kurbelwelle entfernte Position seiner Bewegung als unterer Totpunkt bezeichnet.

Der Raum zwischen unterem und oberem Totpunkt wird als Schlagvolumen bezeichnet. Das Hubvolumen hängt vom Bohrungsdurchmesser des Zylinders und vom Hub des Kolbens ab. Der Raum im Zylinder, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet, wird als Kompressionsraum bezeichnet.

Berechnung des Verdichtungsverhältnisses für einen Kreiskolbenmotor:

Bei diesen Motoren ist das Verdichtungsverhältnis definiert als das Verhältnis von größtem und kleinstem Volumen des Arbeitsraums während der Umdrehung des Kolbens.

εk = V1 : V2

Erklärung der Variablen:

  • εk – Kompressionsverhältnis

  • V1 - das größte Volumen des Arbeitsbereichs

  • V2 - das kleinste Volumen des Arbeitsbereichs

Wie wirkt sich das Kompressionsverhältnis auf den Motor aus?

Engine

Bei einem klassischen Kolbenverbrennungsmotor ist das Verdichtungsverhältnis konstant und immer ein Kompromiss zwischen verschiedenen Fahrmodi. Einige Motoren können jedoch das Verdichtungsverhältnis entsprechend der Last stufenlos ändern.

Ein solcher Motor kann somit bei niedriger Last mit einem großen Verdichtungsverhältnis und umgekehrt bei hoher Last mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis arbeiten.

Bei hohen Lasten ist es ratsam, das Kompressionsverhältnis niedrig zu halten und somit Detonationen zu vermeiden. Bei niedrigen Lasten sollte er für einen bestmöglichen Motorwirkungsgrad höher sein. Je größer das Verdichtungsverhältnis ist, desto größer ist die Verdichtung des Gemischs vor der Zündung.

Das Kompressionsverhältnis beeinflusst grundlegend:

  • Der erreichbare Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und damit auch dessen Leistung und Drehmoment

  • Motoremissionen

  • Kraftstoffverbrauch

Nachteile eines erhöhten Kompressionsverhältnisses:

  • Insbesondere bei Ottomotoren kann es zu einer vorzeitigen Selbstentzündung des Kraftstoffs (Klopfbrand) kommen

  • Motorteile verschleißen im Laufe der Zeit stärker als bei einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis, daher muss ein solcher Motor mit haltbareren Teilen ausgestattet werden, die viel teurer sind (Keramik- und Titanteile).

Kompressionsdruckmessung

3D-Modell eines funktionierenden V8-Motors. Kolben und andere mechanische Teile sind in Bewegung.

Das Messen des Zylinderkompressionsdrucks ist eine Methode, die genaue Informationen über den Zustand des Motors liefert. Der Kompressionsdruck wird mit einem Kompressionsmesser gemessen. Vor der Messung des Kompressionsdrucks wird der Motor auf Betriebstemperatur erwärmt, um die Spiele zwischen Kolben und Zylinder zu bestimmen.

Das Kompressionsmessgerät wird anstelle der Zündkerze in den Zylinderkopf eingeschraubt. Anschließend wird der Motor bei voll geöffneter Drosselklappe (Gaspedal voll durchgetreten) mit dem Starter 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 Kompressionshubs des Motors, wenn das Gemisch noch nicht brennt. Die Größe des Kompressionsdrucks hängt vom Verdichtungsverhältnis, der Motordrehzahl, dem Füllungsgrad der Zylinder und der Dichtheit des Brennraums ab. Alle diese Parameter, mit Ausnahme der Dichtigkeit des Brennraums, bleiben unverändert und werden durch die Motorkonstruktion bestimmt.

Wird bei der Messung festgestellt, dass einer der Zylinder den vom Hersteller angegebenen Wert nicht erreicht, deutet dies auf ein Leck 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

Sind die Brennräume in Ordnung, beträgt die maximale Differenz der Kompressionsdrücke der einzelnen Zylinder bis zu 1 bar (0,1 MPa). Die Kompressionsdrücke reichen von 1,0 bis 1,2 MPa für Benzinmotoren und 3,0 bis 3,5 MPa für Dieselmotoren.

Was sind die normalen Werte für das Kompressionsverhältnis eines Motors?

Um eine Detonation (vorzeitige Selbstentzündung des Kraftstoffs) zu vermeiden, ist das Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren nicht größer als 10:1. Motoren mit einem Klopfsensor, einem elektronischen Steuergerät und anderen Geräten können jedoch ein Verdichtungsverhältnis von bis zu 14:1 erreichen.

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 noch mehr, weil sie nach dem Prinzip arbeiten, dass sich der eingespritzte Kraftstoff durch die Kompressionswärme entzündet.

Aus diesem Grund muss das Verdichtungsverhältnis von Dieselmotoren höher sein als bei Benzinmotoren. Die Belastung durch die Drücke im Motorzylinder begrenzt das Verdichtungsverhältnis des Dieselmotors.

Video von Jason von Engineering Explained zur Erläuterung des Komprimierungsverhältnisses: