Klopfsensor

Der Klopfsensor ist ein Bestandteil der elektronischen Klopfregelung in einem Verbrennungsmotor. Es handelt sich dabei um einen Körperschallsensor, dessen Signal mit Hilfe von elektronischen Filtern und einem digitalen Signalprozessor auf die für das Klopfen typischen hochfrequenten Schwingungsanteile untersucht wird. Ein oder mehrere dieser Sensoren sollen Detonationen in jeglichem Zylinder erkennen. In manchen Fällen kann dieses akustische Verfahren aufgrund anderer mechanischer Einflüsse (Steinschlag usw.) zu Fehlsignalen führen.

Grundlagen

Man kann den Klopfsensor als Ohr einer elektronischen Baugruppe sehen, der Motorschwingungen bzw. Vibrationen von Verbrennungsmotoren aufnimmt und diese als Eingangssignale in Form von elektrischer Spannung an das Motorsteuergerät liefert, das diese wiederum mit vorgegebenen Werten vergleicht. Registriert der Klopfsensor ein Klopfen des Motors, wird der Zündzeitpunkt automatisch in Richtung „spät“ verstellt, bis keinerlei Klopfgeräusche mehr festgestellt werden. Danach wird der Zündzeitpunkt wieder schrittweise in Richtung „früh“ verstellt, bis wieder Klopfen registriert wird. Ein früher Zündzeitpunkt führt zu einer besseren Ausnutzung der Verbrennungsenergie und damit zu erhöhter Leistung und einem besseren Wirkungsgrad des Motors. Der Motor wird durch diese Regelung permanent in der Nähe der sogenannten Klopfgrenze gehalten. So werden eine möglichst hohe Leistungsausbeute und damit eine optimale Betriebsweise des Motors bezüglich des Wirkungsgrades erreicht. Außerdem werden dadurch Schwankungen in der Kraftstoffqualität ausgeglichen und so Motorschäden verhindert.

Elektrotechnisch ist der Klopfsensor ein piezoelektrischer Sensor. Präzise handelt es sich dabei um ein Longitudinal-Element.

Ursachen für das Motorklopfen

Ursache für das so genannte Motorklopfen sind Selbstzündungen des Gemischs im Endgasbereich. Diese treten vor allem auf, wenn Kraftstoff mit geringer Oktanzahl verwendet wird. Während der Verdichtung und nach der einsetzenden Verbrennung steigen die Temperatur und der Druck im Zylinder stark an. In Bereichen, die sehr spät von der regulären Verbrennung erfasst werden, dem sogenannten Endgasbereich, kommt es im verbleibenden Frischgemisch zu Vorreaktionen, die dazu führen, dass beim Überschreiten einer kritischen Temperaturschwelle dieses Gemisch spontan umgesetzt wird, bevor es von der eigentlichen Flamme erreicht wird. Im Gegensatz zur „normalen“ deflagrativen Verbrennung spricht man dann von einer Detonation.

Moderne Ottomotoren neigen teils deshalb zum Klopfen, weil aus thermodynamischer Sicht ein hohes Verdichtungsverhältnis wünschenswert ist. Gängige Werte liegen hier bei 8,5:1 für aufgeladene Motoren, bei 10,5:1 für Saugmotoren mit Saugrohreinspritzung und bei bis zu 12:1 für Saugmotoren mit Direkteinspritzung. Durch die hohe Verdichtung ergeben sich allerdings auch hohe Spitzendrücke und -temperaturen, die die oben beschriebenen Selbstzündungen begünstigen.

Literatur

• Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000, ISBN 3-14-221500-X