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Motor |
Drehmoment und Füllungsgrad
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zu Aufladung|
Leistungssteigerung |Leistung
| Mehrventiler
| Variable Steuerzeiten |
Valvetronic
| Vergleich P/M |
Schaltsaugrohr | Twinport
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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
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:
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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, |
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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
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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
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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
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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 |
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hohe Einströmgeschwindigkeit
gute Verwirbelung
gute Füllung
besserer Wirkungsgrad, weniger Abgase
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| 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 |
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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. |
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Spritzwinkel 15°, Strahlneigung 13°
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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
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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.
Johannes Wiesinger
bearbeitet:
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