Der Klopfsensor im Kfz

Bei einer normalen Verbrennung im Ottomotor zündet die Zündkerze das Gemisch, und eine Flammenfront breitet sich gleichmäßig durch den Brennraum aus. Während sie sich ausbreitet, steigen Druck und Temperatur im noch unverbrannten Restgemisch. Werden diese zu hoch, entzündet sich das Restgemisch von selbst, bevor die Flamme es erreicht. Diese schlagartige Verbrennung nennt man Klopfen oder Klingeln.

Dabei entstehen steile Druckspitzen und hochfrequente Druckschwingungen im Brennraum. Man hört sie als metallisches Klingeln, besonders beim Beschleunigen aus niedriger Drehzahl. Dauerhaftes Klopfen führt zu schweren Schäden: angeschmolzene Kolbenböden, gebrochene Ringstege, beschädigte Lager und Zylinderkopfdichtungen.

Tippe auf eine Karte, um die typischen Ursachen kennenzulernen.

Der Klopfsensor ist ein Körperschallsensor. Er hört nicht in den Brennraum hinein, sondern erfasst die Schwingungen, die das Klopfen im Motorblock auslöst. Deshalb ist er von außen am Kurbelgehäuse angeschraubt, meist zwischen den Zylindern. Vierzylinder haben oft einen Sensor, Motoren mit mehr Zylindern oder zwei Bänken meist zwei.

Heute werden fast ausschließlich Breitband-Klopfsensoren eingesetzt. Ihr Aufbau:

• Seismische Masse: ein Metallring, der durch seine Trägheit bei jeder Schwingung eine Kraft auf die Piezokeramik ausübt.
• Piezokeramik: ein Ring, der unter Druck eine elektrische Spannung erzeugt.
• Kontaktscheiben: greifen die Spannung ab und führen sie zum Stecker.
• Gehäuse: Kunststoff mit Mittelloch, durch das die Befestigungsschraube führt.

Der Sensor hat meist zwei Anschlüsse, bei manchen Ausführungen kommt eine Abschirmung dazu. Er braucht keine Versorgungsspannung: Er ist ein passiver Sensor.

Bestimmte Kristalle und Keramiken erzeugen eine elektrische Spannung, wenn man sie zusammendrückt. Dieser piezoelektrische Effekt wurde 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Im Inneren verschieben sich dabei positive und negative Ladungen gegeneinander, an den Oberflächen entsteht eine Spannung.

Im Klopfsensor passiert Folgendes: Der Motorblock schwingt, der Sensor schwingt mit. Die seismische Masse will wegen ihrer Trägheit an Ort und Stelle bleiben und drückt dabei im Takt der Schwingung auf die Piezokeramik. Es entsteht eine Wechselspannung, deren Höhe der Schwingbeschleunigung folgt und deren Frequenz der Schwingfrequenz entspricht.

Im Simulator siehst du oben den Druckverlauf im Zylinder über dem Kurbelwinkel und unten das Signal des Klopfsensors. Verstell den Zündzeitpunkt nach „früh“ und beobachte, wann das Klopfen beginnt. Probiere auch eine andere Kraftstoffsorte und die Last aus.

Bei normaler Verbrennung zeigt das Sensorsignal nur kleine Schwingungen durch die Mechanik des Motors. Klopft der Motor, sitzen auf dem Druckverlauf kurz nach der Spitze hochfrequente Schwingungen, und das Sensorsignal schlägt im Messfenster deutlich aus. Das Steuergerät wertet das Signal nur in diesem Fenster aus, damit andere Geräusche wie das Schließen der Ventile nicht als Klopfen erkannt werden.

Das Steuergerät verstellt den Zündzeitpunkt aus dem Kennfeld so früh wie möglich, weil der Motor dort das meiste Drehmoment bei geringstem Verbrauch liefert. Erkennt es Klopfen, reagiert es sofort:

1. Klopfen erkennenDas Sensorsignal im Messfenster eines Zylinders überschreitet den Vergleichswert.
2. Zündung zurücknehmenDer Zündzeitpunkt genau dieses Zylinders wird um einen Schritt nach „spät“ verstellt, typisch um einige Grad Kurbelwinkel.
3. Langsam zurückführenBleibt der Zylinder klopffrei, wird der Zündzeitpunkt in kleinen Schritten wieder Richtung Kennfeldwert vorgestellt.
4. WiederholenKlopft er erneut, beginnt der Ablauf von vorn. So pendelt sich der Zündzeitpunkt knapp an der Klopfgrenze ein.

Weil die Regelung für jeden Zylinder einzeln arbeitet, spricht man von zylinderselektiver Klopfregelung. Das Steuergerät muss dafür wissen, welcher Zylinder gerade verbrennt. Diese Information liefern Kurbelwellen- und Nockenwellengeber.

Beim Klopfsensor verursacht der Einbau mehr Fehler als der Sensor selbst. Die folgenden Punkte sind in der Werkstatt entscheidend:

1. Fehlerspeicher auslesenTypische Codes sind P0325 bis P0334. Istwerte der Zündwinkelrücknahme pro Zylinder zeigen, ob die Regelung auffällig oft eingreift.
2. SichtprüfungStecker auf Korrosion und Öl, Leitung auf Scheuerstellen, Sensor auf Risse prüfen.
3. AnzugsdrehmomentDen Sensor exakt mit dem vorgeschriebenen Drehmoment anziehen. Zu locker oder zu fest verändert die Schallübertragung und damit die Empfindlichkeit.
4. AuflageflächeKontaktfläche sauber, eben und frei von Farbe oder Rost. Keine Unterlegscheiben, keine Federringe, keine Dichtmasse verwenden.
5. Signal prüfenOszilloskop an den Sensor, dann mit einem kleinen Hammer oder Schraubendreherheft leicht neben dem Sensor auf den Motorblock klopfen: Jeder Schlag muss einen deutlichen Spannungsausschlag erzeugen.
6. Leitungen prüfenDurchgang zum Steuergerät, kein Schluss gegen Masse oder zwischen den Adern, Schirm intakt.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Wirkt eine Kraft F auf ein Piezoelement, entsteht an seinen Elektroden eine Ladung Q, die proportional zur Kraft ist. Die Proportionalitätskonstante ist der piezoelektrische Ladungskoeffizient d:

Weil sich die Ladung über den Eingangswiderstand der Auswerteschaltung und über Isolationswiderstände langsam ausgleicht, kann ein Piezosensor keine statischen Kräfte messen. Er wirkt wie ein Hochpass. Für den Klopfsensor ist das ideal: Die langsamen Kräfte aus Schraubenvorspannung und Temperaturdehnung verschwinden, die schnellen Klopfschwingungen bleiben.

Resonanz- und Breitbandsensoren

Frühe Klopfsensoren waren Resonanzsensoren: Ihre Mechanik war auf die Klopffrequenz eines bestimmten Motors abgestimmt und verstärkte genau diese Frequenz. Jeder Motortyp brauchte einen eigenen Sensor. Breitbandsensoren haben dagegen eine Eigenfrequenz weit oberhalb des Nutzbereichs und damit einen fast flachen Frequenzgang von etwa 5 bis 20 kHz. Die Auswahl der Klopffrequenz übernimmt ein Filter im Steuergerät. So passt ein Sensortyp für viele Motoren.

Als Werkstoff dient meist eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT). Sie wird bei der Herstellung durch ein starkes elektrisches Feld polarisiert. Wird sie später über ihre Curie-Temperatur erhitzt, verliert sie diese Polarisation und damit ihre Empfindlichkeit dauerhaft.

Klopfen beginnt im Endgas, dem Gemischanteil, den die Flammenfront zuletzt erreicht, oft am Brennraumrand gegenüber der Zündkerze. Durch Verdichtung und Strahlungswärme laufen dort chemische Vorreaktionen ab. Überschreitet das Endgas seine Zündgrenze, bevor die Flamme ankommt, verbrennt es schlagartig. Die entstehende Druckwelle läuft durch den Brennraum und regt ihn zu Eigenschwingungen an, ähnlich wie ein Glas, an das man klopft.

Die Frequenz dieser Gasschwingungen hängt vor allem vom Zylinderdurchmesser und der Schallgeschwindigkeit im heißen Gas ab. Für die erste Umfangsmode gilt nach Draper näherungsweise:

Abgrenzung: Glühzündung und Vorentflammung

Bei der Glühzündung entzündet sich das Gemisch an einer heißen Stelle wie einer überhitzten Zündkerze oder Ablagerungen, oft schon vor dem Zündfunken. Bei aufgeladenen Motoren mit Direkteinspritzung gibt es zusätzlich die Vorentflammung bei niedriger Drehzahl und hoher Last, auch Low-Speed-Pre-Ignition genannt, die extreme Druckspitzen erzeugen kann. Beide lassen sich mit einer Spätverstellung der Zündung kaum beeinflussen, weil sie gar nicht vom Zündfunken ausgehen. Das Steuergerät reagiert darauf mit anderen Maßnahmen, zum Beispiel mit Anreicherung oder Lastbegrenzung.

Das Rohsignal enthält neben dem Klopfen viele andere Schwingungen: Ventile, Kolbenkippen, Einspritzventile, Nockenwellenantrieb. Das Steuergerät trennt das Klopfen in mehreren Stufen heraus:

1. Verstärkung und BandpassEin Filter lässt nur den Frequenzbereich durch, in dem der jeweilige Motor klopft. Moderne Steuergeräte arbeiten dafür digital und können mehrere Frequenzbänder gleichzeitig auswerten.
2. MessfensterAusgewertet wird nur ein Kurbelwinkelbereich nach dem oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders. Geräusche außerhalb des Fensters bleiben unberücksichtigt, etwa das Einspritzgeräusch bei Direkteinspritzung oder das Schließen der Ventile.
3. Gleichrichten und IntegrierenDas gefilterte Signal wird gleichgerichtet und über das Fenster aufsummiert. Das Ergebnis ist ein Zahlenwert für die Schwingungsenergie dieses Arbeitsspiels.
4. Vergleich mit dem ReferenzpegelFür jeden Zylinder wird ein gleitender Mittelwert der klopffreien Arbeitsspiele gebildet. Liegt der aktuelle Wert um einen festgelegten Faktor darüber, gilt das Arbeitsspiel als klopfend.

Der Referenzpegel passt sich laufend an, weil das mechanische Grundgeräusch mit Drehzahl und Last stark ansteigt. Mit einer festen Schwelle würde man bei hoher Drehzahl ständig Klopfen erkennen, bei niedriger nie.

Der Simulator zeigt die Klopfregelung über viele Arbeitsspiele. Der Kennfeldwert liegt bewusst hinter der Klopfgrenze, damit der Motor bei gutem Kraftstoff das volle Potenzial nutzen kann. Die Klopfgrenze schwankt von Zyklus zu Zyklus, deshalb klopft der Motor nie ganz regelmäßig. Schalte die Regelung aus und vergleiche die Zahl der Klopfereignisse.

Adaption und Schutzfunktionen

• Kennfeldadaption: Die Rücknahmen werden pro Betriebspunkt und Zylinder gespeichert. Beim nächsten Mal startet die Regelung gleich mit dem gelernten Wert, statt erst wieder klopfen zu müssen.
• Kraftstoffqualität: Aus der mittleren Rücknahme schließt das Steuergerät auf die Oktanzahl und wählt gegebenenfalls ein anderes Zündkennfeld.
• Aufgeladene Motoren: Reicht die Zündwinkelrücknahme nicht, wird zusätzlich der Ladedruck gesenkt. Eine späte Zündung erhöht nämlich die Abgastemperatur, was Turbolader und Katalysator belastet.
• Notlauf: Bei einem Fehler am Klopfsensor oder in der Auswertung stellt das Steuergerät die Zündung pauschal auf einen sicheren, späten Wert. Der Motor läuft, hat aber weniger Leistung und verbraucht mehr.

Zwischen dem Klopfen im Brennraum und dem Sensor liegt ein langer mechanischer Weg: Zylinderkopf, Zylinderkopfdichtung, Zylinderwand, Kurbelgehäuse. Jeder Übergang dämpft und färbt das Signal. Die Empfindlichkeit für die einzelnen Zylinder ist deshalb unterschiedlich. Der Hersteller legt Einbauort und Anzahl der Sensoren so fest, dass alle Zylinder ausreichend erfasst werden, und gleicht die Unterschiede mit zylinderindividuellen Verstärkungen aus.

Die Schraubverbindung ist Teil dieses Übertragungswegs. Ein falsches Anzugsdrehmoment, eine Unterlegscheibe oder eine lackierte Auflagefläche verändern die Kopplung und können den Sensor unempfindlich machen. Die Folge ist unerkanntes Klopfen, das den Motor über längere Zeit schädigt, ohne dass ein Fehler gespeichert wird.

OBD-II-Fehlercodes

P0325 bis P0329 betreffen den Klopfsensor 1 bzw. Bank 1, P0330 bis P0334 den Klopfsensor 2 bzw. Bank 2. Typische Fehlerarten sind Stromkreisfehler, Signal zu niedrig oder zu hoch und unplausible Werte. Zusätzlich legen viele Steuergeräte herstellerspezifische Codes für eine Überschreitung der Regelgrenze ab.

Profitipps

• Die Zündwinkelrücknahme pro Zylinder bei einer Probefahrt unter Volllast mitloggen. Das ist aussagekräftiger als jeder Fehlerspeicher.
• Nach Motorinstandsetzung oder Kraftstoffwechsel die Adaptionswerte beobachten. Sie brauchen oft eine Weile, bis sie sich neu eingelernt haben.
• Klopfsensoren nie „nach Gefühl“ anziehen. Der Drehmomentschlüssel gehört bei diesem Bauteil zur Pflicht.
• Bei Tuning-Maßnahmen mit mehr Ladedruck arbeitet die Klopfregelung am Limit. Häufige Rücknahmen sind hier ein Warnsignal, kein Normalzustand.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.