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Motorleistung und Arbeitsdruck

siehe auch: | Füllung und Drehmoment | Leistungssteigerung |Aufladung |Mehrventiler | Variable Steuerzeiten | Valvetronic | Vergleich Leistung/Drehmoment |


Motorleistung und Arbeitsdruck sollen näher erläutert werden.
 

Mechanische Leistung

 

P = F x s / t (Kraft x Weg / Zeit)   oder   P = F x v (Kraft x Geschwindigkeit)  --  Einheit kW (KiloWatt) --

 

umgemünzt auf den Verbrennungsmotor:

oder 

 

 

  • VH = Gesamthubraum
  • Pi = mittlerer indizierter Kolbendruck
  • M = Drehmoment
  • n = Motordrehzahl
  • x = Kennzahl für Arbeitsverfahren
  • 300, 9550  = Konstanten

Bei Pi handelt sich um die Innenleistung oder indizierte Leistung des Motors, bei Pe um die Effektiv- oder Nutzleistung.

 

Energieumwandlung

Die Umwandlung der Kraftstoffenergie in Nutzarbeit im Verbrennungsmotor erfolgt nur über Verluste durch Reibung, Wärmeableitung und Wärmestrahlung (Abgas, Kühlwasser, Kolbenringe...). Der Wirkungsgrad (Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung) liegt bei den modernsten Ottomotoren bei  35 - 38%, bei modernen Dieselfahrzeugen bei . 45 - 50%.

Legt man die Kraftstoffenergie auf 100 % fest, so gibt ein herkömmlicher Motor 

  • ca. 32% dieser Energie an Kühlmittelwärme und

  • rund 34% an Abgaswärme ab;

  • etwa 3% verliert der Motor an Strahlungswärme und

  • ungefähr 5% an Reibungsverlusten sind zu verbuchen.

So bleiben diesem Motor nur noch 26% seiner Kraftstoffenergie zur Kolbenarbeit übrig. Man spricht hier von der Nutzleitung oder Effektivleistung. Rechnet man die Reibleistung mit hinzu, so spricht man von der Innenleistung oder indizierten Leistung.

Formeln:

Pe = ηm x Pi    oder    Pe= Pi - Pr                ηm = mechanischer Wirkungsgrad, Pr = Reibleistung

 

Volllastkennlinie

Die Charakteristik eines Motors kann auf dem Leistungsprüfstand ermittelt werden. Sie ergibt sich aus dem Verlauf  der Leistung und des Drehmoments. Diese Werte werden üblicherweise über der Drehzahl angezeigt. Der Motor wird bei voll geöffneter Drosselklappe abgebremst. Die Last, die der Motor überwindet, ohne dass die Drehzahl absinkt, entspricht der jeweiligen Leistung. Die Werte werden über den gesamten Drehzahlbereich ermittelt. Drehmoment und Kraftstoffverbrauch werden hierbei in der Regel mit ermittelt.

Leistungsdiagramm

 

Um zu erfahren welche Größen die Leistung eines Motor beeinflussen, wertet man folgende Formel aus:

P = VH * pi * n / 1200 

Die Leistung kann gesteigert werden, wenn entweder 

  • der mittl. Kolbendruck

  • der Hubraum oder 

  • die Drehzahl erhöht werden.

 

 

 

Arbeitsdruck pi


Bei herkömmlichen Motoren handelt es sich im physikalischen Sinne um Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung. Der Kolben wird durch die Expansion eines schnell verbrennenden Gasgemisches nach unten gedrückt. Dieser auf den Kolben wirkende Gasdruck bewirkt die Kolbenkraft, die über das Pleuel auf die Kurbelwelle wirkt. Dies ergibt die Innenleistung oder auch indizierte Leistung. Da sich der Gasdruck während eines Arbeitsspiels ändert, rechnet man mit einem auf die Kolbenfläche wirkenden gedachten mittleren Arbeitsdruck, der auch mittlerer indizierter Kolbendruck genannt wird. 

Bei guten Zweiventilern erreicht der mittlere indizierte  Kolbendruck  Werte bis 11 bar und gute Vierventiler um die 12-13 bar. Mit diesem Wert lassen sich auch unterschiedliche Motorkonstruktionen in Bezug auf ihre Effektivität hin vergleichen.  

Formeln:

  oder   

(Die 2. Formel ergibt sich, wenn man statt P den Ausdruck M*n/9550 einsetzt und umstellt.)

 x = Kennzahl für Arbeitsverfahren, P = Motorleitung in kW, M = Motordrehmoment in Nm, VH = Motorhubraum in l, pi = mittlerer indizierter Kolbendruck
 

Multipliziert man den indizierten Kolbendruck pi mit dem mechanischen Wirkungsgrad des Motors, so erhält man den mittleren nutzbaren Kolbendruck (effektiver Kolbendruck) pe. Der mechanische Wirkungsgrad ηm von Ottomotoren liegt bei ca. 0,80 - 0,94, der von Dieselmotoren bei 0,75 - 0,88 (siehe auch Energieumwandlung). 

Beispiele von Ottomotoren mit sehr guten Arbeitsdrücken:

  • BMW M3       14,13 bar   bester Sauger
  • Jaguar XKR   15,88 bar  Kompressor
  • Audi RS4       20,7 bar   Turbo

 

Verbrennungshöchstdruck

 

Der Verbrennungshöchstdruck (pmax) bewirkt das maximale Drehmoment (Mmax). Bei dieser Drehzahl findet die beste Verbrennung statt.

Bei anderen Motordrehzahlen, verringert sich somit der Arbeitsdruck,

Gaswechsel, Gemischbildung, Verbrennung sind nicht mehr optimal!

Dies erfordert eine intelligente Motorsteuerung. Entwicklungspotenzial für die Ingenieure ist somit ausreichend vorhanden.

 

Aufgaben zur Leistung:

 

Die folgenden Diagramme aus einer Motorzeitschrift könnten als Zuordnungsaufgabe (Bild/Text) für Schüler dienen.

 

 

 

Turbomotor mit außergewöhnlich kontinuierlicher Kraftentfaltung, sehr gute Fahrleistungen, ordentliche Laufkultur, gut auf die Motorcharakteristik abgestimmtes Sechsganggetriebe, aber unexakte Schaltung Durchzugsstarker, nicht besonders drehwilliger 2,4 Liter-Vierzylinder-Ottomotor, gut abgestuftes Fünfganggetriebe mit leichtgängiger Schaltung, zuschaltbarer Allradantrieb Kultivierter und temperamentvoller Vierventil-Vierzylinder mit 2,3 Liter Hubraum, durchzugstark und drehfreudig, ausgezeichnete Fahrleistungen, gut abgestuftes und leicht schaltbares Fünfganggetriebe Kultivierter Sechszylindermotor mit Vierventiltechnik, befriedigendes Durchzugsvermögen, ausgezeichnete Drehfreudigkeit, hohe Fahrleistungen, gut abgestimmtes, leicht schaltbares Fünfgangestriebe
 

Eine weitere mögliche Aufgabe für Schüler: 

Die nachstehenden Fragen sollten in Partnerarbeit gelöst werden, das Tabellenbuch darf benutzt werden. Hinweise: Die folgenden Motorkennlinien stammen von zwei Motoren mit gleichem Hubraum. Das Diagramm muss entsprechend vorbereitet werden. Dies ist bereits das Lösungsbild. In Motorzeitschriften finden sich häufig gute Diagramme, die ja einen Bezug zu existierenden aktuellen Fahrzeugen herstellen, die auch die Schüler kennen.

 

 

1.) Wodurch unterscheiden sich die beiden Motoren (Konstruktionsmerkmal)?

Die beiden Motoren unterscheiden sich durch das Verdichtungsverhältnis.

2.) Welche Motorkenngrößen (mit Kurzzeichen und Einheit) sind in dem Diagramm berücksichtigt worden?

(Drehmoment M in Nm, Leistung P in kW, Spez. Kraftstoffverbrauch  b in g/kWh, Drehzahl n in 1/min)

3.) Was hat die Änderung des Verdichtungsverhältnisses, über den ganzen Drehzahlbereich betrachtet, bei den drei Kenngrößen des Motors 2 bewirkt?

(P und M sind gestiegen, b ist gesunken)

4.) Kennzeichnen Sie die Maximalwerte mit P1max, M1max, P2max, M2max

5.) Stellen Sie für die beiden Motoren fest: den minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch sowie die zugehörigen Werte für Drehzahl, Drehmoment und Leistung.

(Motor 1: 308g/kWh, 2800 1/min, 138Nm, 40kW; Motor 2: 288 g/kWh, 2850 1/min, 143 Nm, 43 kW; alles ca..-Angaben)

6.) Ermitteln Sie die Drehzahldifferenz  δn und die zugehörige Drehmomentdifferenz δM

(Motor 1 2500 1/min, 32 Nm, Motor 2 2900 1/min, ca. 33 Nm; alles ca..-Angaben)

7.) Konstruieren Sie aus δn und der zugehörigen δM in den beiden Schaubildern jeweils ein Rechteck, es kennzeichnet den Elastischen Bereich.

8.) Welche Auswirkungen für den realen Fahrbetrieb ergeben sich durch die Änderung des Verdichtungsverhältnisses für den Motor 2?

(besseres Beschleunigungsvermögen, es muss nicht so häufig geschaltet werden, der Motor verbraucht weniger Kraftstoff)

9.) Durch welche anderen konstruktiven Maßnahmen kann der Drehmomentanstieg erhöht werden?

M bei 

  • Otto-Saugmotoren 10-30%, 
  • Otto-Ladermotoren 10-35%, 
  • Diesel-Saugmotoren 10-20%, 
  • Diesel-Ladermotoren 15-30%, 
  • Diesel- Ladermotoren mit Ladeluftkühlung bis 60%

siehe auch: | Füllung und Drehmoment | Leistungssteigerung |Aufladung |Mehrventiler | Variable Steuerzeiten | Valvetronic | Vergleich Leistung/Drehmoment | PS |

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

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

Quellen: Internet, www.chip-tuning.de , Sankey-Diagramm Europa-Verlag

Wiesinger,  mit freundlicher Unterstützung von H.-D. Zeuschner



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Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015

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