zu Aufladung| Leistungssteigerung
|Leistung
| Mehrventiler
| Variable
Steuerzeiten | Valvetronic
| Vergleich
P/M | Schaltsaugrohr | Twinport
|
Wie hängen Drehmoment, Füllungsgrad und
andere Begriffe im Kontext mit moderner Motorentechnologie zusammen? -
"Kurze" Erklärungen, nicht nur für Schüler und Lehrer
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
und im umgekehrt proportionalen Verhältnis
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:
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|
wobei
FT
die Tangentialkraft am Kurbelzapfen und
r
der Kurbelradius ist. |
die Tangentialkraft selbst
berechnet sich:
|
|
α
ist der Pleuelstangenwinkel und
β
ist der Kurbelwinkel |
Das
Drehmoment ist somit proportional abhängig
-
von
der
Tangentialkraft sowie
-
vom
Kurbelradius.
Wenn man es ganz vereinfacht ausdrücken will:
Drehmoment =
Ansprüche an moderne
Motoren:
- niedriges Leistungsgewicht
- niedriger Verbrauch
- niedriges Abgas
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.
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|
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
|
Füllung
Die Füllung hängt ab von
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 |
| |
|
|
hohe
Einströmgeschwindigkeit
gute Verwirbelung
gute Füllung
besserer Wirkungsgrad, weniger Abgase
|
| 2
typische Motorcharakteristika im Zusammenhang mit dem Strömungsverhalten |
Drehzahl niedrig bis
mittel |
Drehzahl hoch |
| Zweiventiler |
Ansauggeschwindigkeit
Frischgas ist hoch, kleine Ventilfläche,
kurze Öffnungszeit, hohes Drehmoment |
Strömung
zu hoch, Ansaugkanal zu eng, Verwirbelung schlecht, Strömungsverluste |
| Vierventiler |
Frischgase strömen langsam
ein, "Muskelschwäche im Drehzahlkeller" |
große
Ventilfläche, -querschnitt, bessere Füllung,
"Power" besser |
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:
| Aber auch
die Einspritzung des Kraftstoffes in das Saugrohres spielt eine Rolle. |
|
Spritzwinkel 15°, Strahlneigung 13°
|
Beispiel:
Audi RS4 -
Leistung 280kW (381 PS),
Hubraumleistung 105 kW/l
Drehmoment 440 Nm, spez. Drehmoment
164Nm/l
- Die Einspritzung zur Kanalmitte
des Saugrohrs hin ergibt eine größtmögliche Strömungsgeschwindigkeit
für die Gemischbildung im Brennraum.
- Die Einspritzung im Bereich der
Wandzonen wird verringert, da dies zu üblicherweise zu unerwünschten
Kraftstoffanreicherungen führt.
- Lesen Sie auch den Bericht zu den Brennverfahren
|
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 vm ist in den letzten Jahren wieder gestiegen.
Das
Hubverhältnis k
= s / d
ist in den letzten Jahrzehnten bei uns immer kleiner geworden, in den
letzten Jahren jedoch, ist wieder ein Trend zu langhubigeren Auslegung
festzustellen.
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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Johannes
Wiesinger
bearbeitet:
02.09.2011
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