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Wie hängen Drehmoment, Füllungsgrad und andere Begriffe im Kontext mit moderner Motorentechnologie zusammen? - "Kurze" Erklärungen, nicht nur für Schüler und Lehrer

Das Motor-Drehmoment

Zunächst aus dem Tabellenbuch einige Formeln zur inneren Leistung, Nutzleistung und Kolbenkraft:

daraus kann man für das Drehmoment ableiten:  

Das Drehmoment steht somit 

in einem proportionalen Abhängigkeitsverhältnis

• zum mittleren inneren Kolbendruck sowie

• zum Gesamthubraum bzw.

• zum Kraftstoffverbrauch,

• dem spez. Heizwert

• dem Nutzwirkungsgrad 

und im umgekehrt proportionalen Verhältnis

• zur Drehzahl

Die Symbole sind normgerecht  (vgl. Tabellenbuch). Die Ziffern dienen der Umrechnung von einer Normgröße in eine andere. Sie sind nicht gekürzt, damit man den Weg verfolgen kann.

Vom Kurbeltrieb her gesehen lautet die Basisformel: 

 die Tangentialkraft selbst berechnet sich:

Das Drehmoment ist somit proportional abhängig

• von der Tangentialkraft sowie
• vom Kurbelradius.

Wenn man es ganz vereinfacht ausdrücken will:

(Expansions-) Kraft	Hebelarm
beeinflussbar durch:	=  Kurbelwellenradius
Zündwinkel	= Kolbenhub s
Verbrennung	Motorentrend: Langhuber (Hub > Bohrung)
Zylinderfüllung	höhere Kolbengeschwindigkeit

Dies erfordert:

höherer thermischer Wirkungsgrad höherer mittlerer Arbeitsdruck höheres Drehmoment

Es kommt aber nicht nur auf die Höhe des Drehmoments, sondern auch auf den Verlauf an.
Büffelcharakteristik hohes Drehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen	Raubtiercharakter  Mmax bei höherer Drehzahl, sportliche Auslegung mit hoher Literleistung,
Quelle: mot	Leistungs- und Drehmomentkennlinien   Diesel TDI Zweiventiler mit frühem Drehmomentmaximum, konkave Leistungskennlinie erreicht schnell die volle Leistung Vierventiler schwach im Drehzahlkeller, höhere Leistung aber insgesamt weniger dynamisch Weitere Leistungs- und Drehmomentkennlinien als Zuordnungsaufgabe für Schüler denkbar

Lösungen:

Vorverdichtung der Ansaugluft Aufladung	Turbo, Kompressor	Nachteile: Leistungsentfaltung, Kosten, thermische Probleme, Turbo mit variabler Turbinengeometrie (VTG) - bei Diesel
Öffnungsdauer der Ventile	Verlängerung der Öffnungszeit des Einlassventils - größere Ventilüberschneidung	Im Ausstoßtakt erzeugen die mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Abgase einen Sog, der die Frischgase trotz aufwärts gehenden Kolben besser einströmen lässt. Lässt man das EV bis weit in den Verdichtungstakt hinein offen, so kann das beim Ansaugen beschleunigte Gemisch auf Grund seiner Trägheit weiter in den Zylinder strömen, bis der Druck durch den aufgehenden Kolben das Gemisch abbremst. Es wird dadurch eine Füllung bis zu 80% erreicht.
Hubraumerweiterung, bzw. mehr Zylinder	8, 10, 12 Zylinder	Nachteile: Motorgewicht, Platzbedarf, Mehrverbrauch, Schadstoffe, Viele Zylinder nur als Prestigeobjekte "sinnvoll"
Variable Ventilsteuerungen	Vanos, Valvetronic, Variocam, VTEC	Vorteile: optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen, vollautomatische Steuerung der Vorgänge

zur Einströmgeschwindigkeit

hohe Einströmgeschwindigkeit gute Verwirbelung gute Füllung besserer Wirkungsgrad, weniger Abgase

Wenn man die Vorteile des Zwei- und Vierventilers haben will muss also die Zylinderfüllung verbessert werden.

Einen guten Weg die Strömungsgeschwindigkeit zu verbessern geht auch Opel mit seinem Twinport-System.

• bessere Zylinderfüllung bedeutet  auch:

Optimierung des Gaswechsels   höherer Arbeitsdruck   höherer thermischer Wirkungsgrad

erreichbar durch:

• zu Kolbengeschwindigkeit v_m

s ist der Hub

Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist proportional abhängig vom Kolbenhub und von der Drehzahl

Die mittlere Kolbengeschwindigkeit liegt heute bei Ottomotoren zwischen 8 und 18 m/s (Ausnahmen: BMW M3 24 m/s und Audi S6 21,7 m/s), bei Dieselmotoren zwischen 9 und 14 m/s. Die v_m ist in den letzten Jahren wieder gestiegen.

Gründe für höhere Kolbengeschwindigkeiten und die langhubigere Auslegung der Motoren sind einerseits die Ansprüche an die Motoren (höheres Drehmoment, niedriges Leistungsgewicht und Verbrauch), die bessere Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Motoren, einhergehend mit höheren Drehzahlen für höhere Leistung.

Dies erfordert eine bessere Wärmeabstrahlung und eine verringerte Reibung der Motoren (Drehzahlfestigkeit). Ermöglicht wird dies durch eine verbesserte Werkstofftechnik (Leichtbau, Motoröle, Zylinderwände)

Ausgesprochene Langhuber  haben Lastwagen und die Oldtimer;  k für Ottomotoren liegt heute bei 0,7 bis 1,2  und für Dieselmotoren bei 0,8 bis 1,3.

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Wiesinger

mit freundlicher Unterstützung von H.-D. Zeuschner und Alois Kleindorfer

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