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Drehmoment und Füllungsgrad


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

Das Motor-Drehmoment

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

Nähere  Erläuterungen zur Leistungsformel

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:

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 =

Kraft   x Hebelarm
(Expansions-) Kraft Hebelarm

beeinflussbar durch:

  =  Kurbelwellenradius
Zündwinkel   = Kolbenhub s
Verbrennung  Motorentrend: Langhuber (Hub > Bohrung)
Zylinderfüllung   höhere Kolbengeschwindigkeit

 

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.

 

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

 

 

Tolle Erklärungen zum Vergleich von Drehmoment und Leistung bei Diesel und Benziner auf der Homepage von Herrn Horbaschek

Füllung

Die Füllung hängt ab von

Probleme:

Lösungen:

Vorverdichtung der Ansaugluft

Aufladung

Turbo, KompressorVTG-Lader bitte anklicken 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
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:

variable Ansaugsysteme
  • Schwingsaugrohr
  • Resonanzaufladung
Aufladung
  • Abgasturbolader
  • mechanische Lader
Mehrventiler
  • 3,
  • 4 oder
  • 5 Ventile
variable Ventilsteuerung
 
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

 

zu Kolbengeschwindigkeit vm

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.

Drehmoment und Leistung wird von Timo Rieseler gut und anschaulich erklärt.



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Johannes Wiesinger
bearbeitet: 19.02.2015

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