Vorentflammung: Hintergründe, Ursachen, Lösungen

Lesedauer: ca. 6 Min. | Ein Artikel von Florian Wagner | TUNAP Blog

Keine Frage, seit geraumer Zeit ist die Stimmung in der Autobranche unter anderem wegen der anhaltenden Diskussionen um Schadstoff-Emissionen ziemlich im Keller. Nüchtern betrachtet lässt sich der Entwicklung des Verbrennungsmotors in den letzten 20 Jahren allerdings auch Positives abgewinnen: Denn die Automobilhersteller haben es geschafft, immer kleinere, extrem leistungsstarke Motoren mit deutlich geringeren Verbrauchs- und Emissionswerten zu bauen: Ottomotoren sind so über die Jahre immer schlanker, sparsamer und zugleich potenter geworden.

Trotz des Trends zum Elektroantrieb wird dieses Potenzial des Benzinmotors noch lange genutzt werden. Laut einer aktuellen Studie sollen noch im Jahr 2040 zwei Drittel der Fahrzeuge in Deutschland einen Verbrennungsmotor an Bord haben.

Da stellt sich für die Entwickler die Frage: Stößt diese fortschreitende Abmagerungskur für Motoren irgendwann an eine Untergrenze? Die Antwort ist: Ja, und zwar vor allem aus zwei Gründen: Bauteile wie Einspritzdüsen, Ventile und Nockenwelle müssen ja noch irgendwo Platz haben. Außerdem setzt das Phänomen Vorentflammung oder LSPI (engl. für "Low Speed Pre-Ignition”) dem immer extremeren Downsizing von Ottomotoren Grenzen.

Was versteht man unter der so genannten Vorentflammung und wie kommt es dazu? Kurz gesagt: Das Kraftstoff-Luftgemisch entflammt vorzeitig und unkontrolliert - sprich: vor der regulären Auslösung durch die Zündkerze. Das kann im schlimmsten Fall zum Totalschaden des Motors führen. Es gibt inzwischen verschiedene Lösungsansätze, aber Vorentflammung stellt die Motorenentwickler immer noch vor besondere Herausforderungen.

Für ein besseres Verständnis der Zusammenhänge lohnt ein Blick auf die grundlegenden Abläufe eines Viertaktmotors: Im ersten Arbeitstakt saugt der Kolben das Benzin-Luft-Gemisch in den Zylinder. Im zweiten Takt verdichtet der Kolben das Gemisch und kurz bevor er den oberen Totpunkt wieder erreicht, löst die Zündkerze die Zündung aus. Im dritten Arbeitstakt verbrennt das Kraftstoffgemisch und drückt den Kolben wieder nach unten, welcher dabei mechanische Arbeit leistet. Im vierten und letzten Takt saust der Kolben erneut zum oberen Totpunkt und presst durch das nun geöffnete Auslassventil die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

Soweit die Theorie. Wie kommt es aber in der Praxis zur Vorentflammung? Diese irreguläre Verbrennung passiert im Übergang von Arbeitstakt zwei zu drei. Hierbei entflammt das Brenngas bereits vor der Auslösung durch die Zündkerze. Dadurch entsteht ein unerwünschter Gegendruck zum nach oben fahrenden Kolben, der leicht bei 200 bis 300 bar liegen kann. Der Haken dabei: Die meisten Motoren sind für solch hohen Drücke gar nicht konzipiert. Die vorgesehene Dauerlast liegt in der Regel bei etwa 90 bar, die Spitzenlast um die 120 bar.

Die Ursachen für das Phänomen Vorentflammung sind vielschichtig. Den einen Grund gibt es nicht: Beispielsweise ist klar, dass sich Kraftstoffe und ihre chemische Zusammensetzung unterschiedlich auswirken. So wurde gezeigt, dass mit steigendem Ethanol-Gehalt des Treibstoffes die Neigung zur Vorentflammung abnimmt. Andere Untersuchungen legen nahe, dass Selbstzündungen der Kraftstoffe mit Druck und Temperatur im Brennraum zusammenhängen.

Trotzdem lassen sich zwei Hauptursachen für die Entstehung von Vorentflammung identifizieren: Zum einen die Kraftstoff-Öl-Tröpfchen: Diese können sich bilden, wenn der eingespritzte Kraftstoff die mit Öl geschmierte Zylinderwand benetzt. Die so entstandene Treibstoff-Öl-Verbindung besitzt eine höhere Zündwilligkeit als der reine Ottokraftstoff.

Als zweite Hauptursache für die Entstehung von Vorentflammung gelten glühende Partikel: Gewöhnlich lagern sich Ruß- oder Öl-Partikel an den Zylinderwänden, Kolben oder Ventilen ab. Die reguläre Zündung kann diese zum Glühen bringen. Diese extrem erhitzten Partikel können, im Übergang von Arbeitstakt zwei zu drei, das Kraftstoff-Luftgemisch vorzeitig entflammen.

Um das Problem Vorentflammung in den Griff zu bekommen, sind umfassende Lösungen gefragt. Dabei sind Weiterentwicklungen bei Motorendesign, Ölformulierungen und Kraftstoffqualität nötig.

Glücklicherweise hat es der Autofahrer mittlerweile auch selbst in der Hand, den Hauptursachen für Vorentflammung - Kraftstoff-Öl-Tröpfchen und glühende Partikel - wirksam vorzubeugen: Neueste Lösungen wie das Additiv microflex^® 978 Brennraum Reiniger säubern den Brennraum und den Kolbenboden des Zylinders. Das Risiko von Vorentflammung und in der Folge von Motorschäden lässt sich so erwiesenermaßen deutlich senken.