Verdichtungsverhältnis

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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)
  • oder = 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.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Keine Belege angegeben. Zwar scheint es alles plausibel, aber die Zusammensetzung passt hier nicht: Ältere Motoren wie der M10 aus dem BMW E20 oder der Boxermotor aus dem Porsche 930 (die hier als Beispiele angeführt sind), haben der Aufladung wegen ein geringes Verdichtungsverhältnis, weil aufgeladene Motoren stärker als freisaugende Motoren zum Klopfen neigen, nicht unbedingt, weil sie „alt“ sind, wie hier erklärt wird. --Johannes (Diskussion) (Aktivität) (Schwerpunkte) 15:29, 15. Jan. 2019 (CET)

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. Ausnahmen sind etwa der 1,3-l-Motor mit 55 kW des VW Polo von 1982, der ein Verdichtungsverhältnis von 11:1 einsetzt und 98-ROZ-Benzin benötigt. Ein anderes Beispiel ist der Mehrfachsternmotor R-2600 von Curtiss-Wright, der nur mit 6,9:1 verdichtet ist und Flugbenzin mit 100 Oktan benötigt, weil er mit einem Radialkompressor aufgeladen wird. Auch die turbogeladenen Motoren des BMW 2002 turbo und des Porsche 930 haben mit 6,9:1 beziehungsweise 6,5:1 für ihre Zeit keine hohen 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.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Aufgeladene Motoren sind immer 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 Wirkungsgrad höher, aber die Zunahme wird immer geringer. Beim idealen Ottoprozess 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. Das Klopfen kann durch Benzin mit höherer Oktanzahl, Optimierung der Brennraumform und Einsatz mehrerer Zündkerzen reduziert werden. Teilweise wird auch ein Klopfsensor eingesetzt, der bei niederoktanigem Benzin und bei Volllast Vibrationen erkennt und den Zündzeitpunkt in Richtung spät verlegt. Höhere Verdichtung lässt sich auch realisieren, indem mit Direkteinspritzung die Temperatur des Frischgases und durch nachträgliche Einspritzung (und Verbrennung) die Maximaltemperatur im Brennraum gesenkt wird.

Erhöhung der Verdichtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 später gezündet werden muss, um die optimale Leistung zu erreichen.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • 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.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]