siehe auch: | Füllung
und Drehmoment | Leistungssteigerung |Aufladung
|Mehrventiler | Variable
Steuerzeiten | Valvetronic | Vergleich
Leistung/Drehmoment |
Motorleistung und Arbeitsdruck sollen näher erläutert werden.
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Mechanische
Leistung
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P
= F x s / t
(Kraft
x Weg / Zeit) oder
P
= F x v
(Kraft x Geschwindigkeit) -- Einheit kW (KiloWatt) --
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umgemünzt
auf den Verbrennungsmotor:
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oder
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- 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.
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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
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Volllastkennlinie
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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.
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Um
zu erfahren welche Größen die Leistung eines Motor beeinflussen, wertet
man folgende Formel aus: |
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P = VH
* pi
* n / 1200 |
Die Leistung
kann gesteigert werden, wenn entweder
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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:
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 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 |
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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
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Verbrennungshöchstdruck
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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. |
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Aufgaben zur Leistung:
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Die
folgenden Diagramme aus einer Motorzeitschrift könnten als Zuordnungsaufgabe
(Bild/Text) für Schüler dienen.
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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 |
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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.
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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%
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siehe auch: | Füllung
und Drehmoment | Leistungssteigerung |Aufladung
|Mehrventiler | Variable
Steuerzeiten | Valvetronic | Vergleich
Leistung/Drehmoment | PS |
Quellen: Internet, www.chip-tuning.de ,
Sankey-Diagramm
Europa-Verlag
Wiesinger, mit freundlicher
Unterstützung von H.-D. Zeuschner
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Johannes
Wiesinger
bearbeitet:
02.09.2011
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