Verdichtungsverhältnis

Das Verdichtungsverhältnis drückt aus, wie stark ein Motor die Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch in jedem Zylinder während des Verdichtungstakts zusammenpresst. Es ist definiert als das Verhältnis zweier Volumina: des gesamten Raums im Zylinder, wenn der Kolben ganz am unteren Ende seines Wegs steht, und des viel kleineren Raums, der verbleibt, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Ein Wert von 10:1 bedeutet beispielsweise, dass das Gemisch vor der Zündung auf ein Zehntel seines ursprünglichen Volumens verdichtet wird. Diese eine Zahl verrät viel über den Charakter eines Motors, seine Kraftstoffanforderungen und seinen Wirkungsgrad.

Das Verhältnis ist deshalb so bedeutsam, weil ein stärkeres Zusammenpressen der Ladung vor der Verbrennung den Motor thermodynamisch effizienter macht und ihm erlaubt, mehr Arbeit aus jeder Einheit Kraftstoff zu gewinnen. Ein höheres Verdichtungsverhältnis steigert Druck und Temperatur im Zylinder im Augenblick der Zündung, sodass die anschließende Verbrennung kräftiger auf den Kolben drückt und ihre Energie wirkungsvoller freisetzt. Die Thermodynamik des Motorkreislaufs belohnt eine höhere Verdichtung mit besserem Wirkungsgrad und mehr Leistung bei gleicher Kraftstoffmenge, weshalb Konstrukteure stets versucht sind, sie so weit anzuheben, wie es die Bedingungen zulassen.

Bei Ottomotoren gibt es jedoch eine feste Obergrenze, die durch das Klopfen gesetzt wird. Mit steigender Verdichtung steigt auch die Temperatur des Gemischs, und ab einem bestimmten Punkt kann sich der Kraftstoff spontan und ungleichmäßig entzünden, bevor die Zündkerze zündet, was die zerstörerischen Druckspitzen erzeugt, die als Klopfen oder Klingeln bekannt sind. Diesem entgegenzuwirken erfordert Kraftstoff mit höherer Oktanzahl, der sich unter Druck kontrollierter verbrennt, weshalb hochverdichtende Ottomotoren Superkraftstoff verlangen. Dieser Zielkonflikt hat die Verdichtungsverhältnisse von Ottomotoren historisch auf etwa 9:1 bis 13:1 begrenzt, wobei die höheren Werte Motoren vorbehalten sind, die für hochoktanigen Kraftstoff oder eine clevere Verbrennungssteuerung ausgelegt sind.

Dieselmotoren machen aus dieser Beschränkung eine Tugend, indem sie die Verdichtung selbst zur Zündung des Kraftstoffs nutzen. Sie laufen mit weitaus höheren Verhältnissen, üblicherweise ab etwa 15:1 aufwärts, weil die allein durch das Verdichten der Luft entstehende Wärme ausreichen muss, um den am oberen Totpunkt eingespritzten Diesel zu entzünden. Es gibt keine Zündkerze; die hohe Verdichtung ist die Zündquelle. Dies ist der grundlegende Grund, warum Dieselmotoren robuster gebaut sind als Ottomotoren, denn sie müssen den weitaus höheren Drücken standhalten, die solche Verhältnisse erzeugen.

Die moderne Technik hat einige dieser alten Grenzen gelockert. Die Direkteinspritzung kühlt die einströmende Ladung, während der Kraftstoff im Zylinder verdampft, und erlaubt Ottomotoren so eine etwas höhere Verdichtung ohne Klopfen, während die Aufladung durch einen Turbolader, die mehr Luft hineinpresst, in der Regel ein niedrigeres geometrisches Verhältnis verlangt, um die Spitzendrücke im Zaum zu halten. Manche fortschrittlichen Motoren verändern ihr Verdichtungsverhältnis sogar während der Fahrt, um Wirkungsgrad und Leistung auszubalancieren. Das Verdichtungsverhältnis steht somit im Zentrum der Motorenkonstruktion und ist eng mit dem Hubraum, der Kolbengestaltung und dem gesamten Verhalten des Verbrennungsmotors verknüpft.