Grundlagen - Füllungsgrad

Grundlagen - Füllungsgrad http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/steuerung/fuellung.htm

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www.kfztech.de Drehmoment und Füllungsgrad

zu Aufladung| Leistungssteigerung |Leistung | Mehrventiler | Variable Steuerzeiten | Valvetronic | VergleichP/M | Schaltsaugrohr | Twinport |

Wie hängen Drehmoment, Füllungsgrad und andere Begriffe im Kontext mit moderner Motorentechnologiezusammen? - "Kurze" Erklärungen, nicht nur für Schüler und Lehrer

Das Motor-Drehmoment

Zunächst aus dem Tabellenbuch einige Formeln zur in neren Leistung, Nutzleistung undKolbenkraft:

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 voneiner 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:

a ist der Pleuelstangenwinkel und

b ist der Kurbelwinkel

Das Drehmoment ist somit proportional abhängig

von der Tangentialkraft sowievom Kurbelradius.

Wenn man es ganz vereinfacht ausdrücken will:

Kraft x Hebelarm

(Expansions-) Kraft Hebelarmbeeinflussbar 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.


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Büffelcharakteristik hohes Drehmoment bereits beiniedrigen Drehzahlen

Raubtiercharakter Mmax bei höherer Drehzahl,sportliche Auslegung mit hoher Literleistung,

Quelle: mot

Leistungs- und Drehmomentkennlinien

Diesel TDI Zweiventiler mit frühemDrehmomentmaximum, konkave Leistungskennlinie erreicht schnell die volleLeistungVierventiler schwach im Drehzahlkeller,höhere Leistung aber insgesamt wenigerdynamisch

Weitere Leistungs- und Drehmomentkennlinien alsZuordnungsaufgabe für Schüler denkbar

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

Die Füllung hängt ab von

Hubraum

Drehzahl

Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsverhältnisse (Ansaug- u.

Abgastrakt)

Öffnungsdauer der Ventile

Probleme:

wechselnde Drehzahl- und Lastbereiche,veränderlicher Arbeitsdruck (pm)


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Lösungen:

Vorverdichtung der Ansaugluft

Aufladung

Turbo, Kompressor Nachteile: Leistungsentfaltung,Kosten, thermische Probleme, Turbo mit variabler Turbinengeometrie (VTG) - bei Diesel

Öffnungsdauer der Ventile

Verlängerung derÖffnungszeit desEinlassventils - größereVentilüberschneidung

Im Ausstoßtakt erzeugen die mithoher Geschwindigkeitausströmenden Abgase einen Sog,der die Frischgase trotz aufwärtsgehenden Kolben bessereinströmen lässt.

Lässt man das EV bis weit in denVerdichtungstakt hinein offen, so kann das beim Ansaugen beschleunigte Gemisch auf Grundseiner Trägheit weiter in denZylinder strömen, bis der Druckdurch den aufgehenden Kolben das Gemisch abbremst.

Es wird dadurch eine Füllung bis zu80% erreicht.

Hubraumerweiterung,

bzw. mehr Zylinder8, 10, 12 Zylinder

Nachteile: Motorgewicht,Platzbedarf, Mehrverbrauch, Schadstoffe,

Viele Zylinder nur alsPrestigeobjekte "sinnvoll"

Variable Ventilsteuerungen Vanos, Valvetronic,Variocam, VTEC

Vorteile: optimale Anpassung an diejeweiligen Betriebsbedingungen, vollautomatische Steuerung derVorgänge

zur Einströmgeschwindigkeithohe Einströmgeschwindigkeit gute Verwirbelung gute Füllung besserer Wirkungsgrad,weniger Abgase

2 typischeMotorcharakteristika im Zusammenhang mit demStrömungsverhalten

Drehzahl niedrig bis mittel Drehzahl hoch

Zweiventiler

AnsauggeschwindigkeitFrischgas ist hoch, kleineVentilfläche, kurzeÖffnungszeit, hohesDrehmoment

Strömung zu hoch,Ansaugkanal zu eng, Verwirbelung schlecht, Strömungsverluste

VierventilerFrischgase strömen langsamein, "Muskelschwäche imDrehzahlkeller"

große Ventilfläche, -querschnitt,bessere Füllung, "Power"besser

Wenn man die Vorteile des Zwei- und Vierventilers haben will muss also die Zylinderfüllungverbessert werden.

Einen guten Weg die Strömungsgeschwindigkeit zu verbessern geht auch Opel mit seinem


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Twinport-System.

bessere Zylinderfüllung bedeutet auch:

Optimierung des Gaswechsels höherer Arbeitsdruck höherer thermischerWirkungsgrad

erreichbar durch:

variable Ansaugsysteme

SchwingsaugrohrResonanzaufladung

Aufladung

Abgasturboladermechanische Lader

Mehrventiler

3,4 oder5 Ventile

variable Ventilsteuerung

Steuerzeiten variieren,Ventile zuschalten,Ventilhub erhöhen

Aber auch die Einspritzung des Kraftstoffes in das Saugrohres spielt eine Rolle.

Spritzwinkel 15°, Strahlneigung 13°

Beispiel: Audi RS4 -

Leistung 280kW (381 PS), Hubraumleistung105 kW/l

Drehmoment 440 Nm, spez. Drehmoment164Nm/l

Die Einspritzung zur Kanalmitte desSaugrohrs hin ergibt eine größtmöglicheStrömungsgeschwindigkeit für dieGemischbildung im Brennraum.Die Einspritzung im Bereich derWandzonen wird verringert, da dies zuüblicherweise zu unerwünschtenKraftstoffanreicherungen führt.Lesen Sie auch den Bericht zu den Brennverfahren

zu Kolbengeschwindigkeit vm


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s ist der Hub

Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist proportional abhängig vom Kolbenhub und von derDrehzahl

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 14m/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 sindeinerseits die Ansprüche an die Motoren (höheres Drehmoment, niedriges Leistungsgewichtund Verbrauch), die bessere Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Motoren, einhergehend mithöheren 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 heutebei 0,7 bis 1,2 und für Dieselmotoren bei 0,8 bis 1,3.

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Wiesinger

mit freundlicher Unterstützung von H.-D. Zeuschner und Alois Kleindorfer

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