Die Physik rund ums KFZ - Der Physikthread
Kaum ein anderer Alltagsgegenstand macht Physik und deren spannende Teilbereiche für den Alltagsbenutzer so greifbar, wie das Auto. Seien es die physikalischen Vorgänge der Thermodynamik, die im Verbrennungsmotor ihre Kraft entfalten, oder die newtonschen Gesetze die bestimmen, wie lange das Fahrzeug auf der Straße bleibt.
Besonders wenn unterschiedliche Baugruppen mit ihren Eigenschaften ineinandergreifen, muß man beim KfZ das Gesamtsystem betrachten und es kommt zu allerlei Interpretationen und Missverständnissen, die zu hitzigen Diskussionen führen und auch zur Schließung von anderen Threads, bei denen Physik nicht das Topic war.
Diesen Diskussionen/Fragen/Klarstellungen möchte ich hier einen Platz bieten. Egal ob Drehmoment vs. Leistung beim Motor, Beschleunigung eines Autos, Schaltstrategien, oder Vorgänge in der Kupplung. Hier ist Platz.
Daher, mit was legen wir los?
Noch kurz zu mir, ich bin selbst seit 20 Jahren Elektronikentwickler mit einem Hang zu Fahrzeugen und einem großen Interesse an Physik allgemein. In meiner beruflichen Tätigkeit habe ich gelernt, über die einzelne Komponente hinauszusehen und das gesamte System zu erfassen, was mich im Falle eines Autos schnell zur grundlegenden Physik bringt.
Grüße,
Zeph
Beste Antwort im Thema
Kaum ein anderer Alltagsgegenstand macht Physik und deren spannende Teilbereiche für den Alltagsbenutzer so greifbar, wie das Auto. Seien es die physikalischen Vorgänge der Thermodynamik, die im Verbrennungsmotor ihre Kraft entfalten, oder die newtonschen Gesetze die bestimmen, wie lange das Fahrzeug auf der Straße bleibt.
Besonders wenn unterschiedliche Baugruppen mit ihren Eigenschaften ineinandergreifen, muß man beim KfZ das Gesamtsystem betrachten und es kommt zu allerlei Interpretationen und Missverständnissen, die zu hitzigen Diskussionen führen und auch zur Schließung von anderen Threads, bei denen Physik nicht das Topic war.
Diesen Diskussionen/Fragen/Klarstellungen möchte ich hier einen Platz bieten. Egal ob Drehmoment vs. Leistung beim Motor, Beschleunigung eines Autos, Schaltstrategien, oder Vorgänge in der Kupplung. Hier ist Platz.
Daher, mit was legen wir los?
Noch kurz zu mir, ich bin selbst seit 20 Jahren Elektronikentwickler mit einem Hang zu Fahrzeugen und einem großen Interesse an Physik allgemein. In meiner beruflichen Tätigkeit habe ich gelernt, über die einzelne Komponente hinauszusehen und das gesamte System zu erfassen, was mich im Falle eines Autos schnell zur grundlegenden Physik bringt.
Grüße,
Zeph
99 Antworten
Hätte auch noch eine interessante Physik-Frage: Warum bringt mehr Kompression mehr Leistung (was läuft in der Verbrennung bei mehr Druck anders ab)?
Gruß Metalhead
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 08:32:17 Uhr:
Zitat:
@dodo32 schrieb am 2. August 2020 um 21:05:01 Uhr:
Ich hätte eher gesagt, dass die Technik die mechanische / elektronische Umsetzung der physikalisch / chemischen Erkenntnisse ist.Genau das schrieb ich doch 😕.
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 08:32:17 Uhr:
Zitat:
@dodo32 schrieb am 2. August 2020 um 21:05:01 Uhr:
Der Fächerkrümmer soll gewickelt werden.Ich nehme an, du meinst mit Auspuffbandagen eingewickelt.
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 08:32:17 Uhr:
Zitat:
@dodo32 schrieb am 2. August 2020 um 21:05:01 Uhr:
Das wickeln soll einen besseren Fluss der Abgase bewirken.Soll, hm, ja. In Anbetracht der Druckverhältnisse die hier beim Auspuff herrschen, glaube ich kaum das dies einen messbaren Unterschied bewirkt. Es sei denn, die gasdynamischen Eigenschaften von Aufpuffgas sind ein paar Grad heißer dramatisch anders. Dazu hab' ich aber keine Erfahrungen. Eventuell kann GaryK dazu was sagen.
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 08:32:17 Uhr:
Zitat:
@dodo32 schrieb am 2. August 2020 um 21:05:01 Uhr:
Ähnlich eines Kamins. Kann das jemand genauer erläutern?Der Kamineffekt beruht ja darauf das warme Luft aufsteigt. Das ist in einem Fächerkrümmer sicher nicht der Fall.
Was es aber wirklich bringt:
Du strahlst deutlich weniger Wärme in den Motorraum ab. Da hier auch irgendwo die Ansaugung sitzt (außer du hast schon ein Cold Air Intake) kann das etwas Leistung bringen. Noch wichtiger ist sowas bei einem Turbomotor, wenn der Turbo aus baulichen Gründen relativ lange Abgaskrümmer bis zur Turbine hat. Hier ist jedes Joule das zur Turbine kommt, Gold wert. Es verbessert Ansprechverhalten und Leistung der Abgasturbine. Beim Porsche 944 Turbo ging das so weit, das die Auslasskanäle mit Keramik ausgegossen wurden, das so wenig wie möglich von der wertvollen Wärme in den Kühlkreislauf gelangt.
Bei aktuelleren Turbobenzinern (z.B. VW-TSIs) macht man genau das Gegenteil:
Der Krümmer befindet sich quasi im Zylinderkopf.
Begründung von VW:
Schnelleres Aufheizen, bessere Abkühlung bei großer Motorlast.
Der Motorraum, wird dadurch natürlich auch etwas weniger beheizt.
Zitat:
@metalhead79 schrieb am 3. August 2020 um 09:01:31 Uhr:
Hätte auch noch eine interessante Physik-Frage: Warum bringt mehr Kompression mehr Leistung (was läuft in der Verbrennung bei mehr Druck anders ab)?Gruß Metalhead
Schau' dir mal das angehängte p-V-Diagramm (Druck vs. Volumen) an, es bildet den (idealen) Otto-Kreisprozess ab. Der Prozess verläuft im Uhrzeigersinn:
1 - 2 Verdichten: Der Kolben fährt gegen OT, das Volumen nimmt ab, der Druck steigt
2 - 3 Verbrennen: Durch das Zünden des Gemischs steigt der Druck bei gleichem Volumen
3 - 4 Arbeiten: Der Kolben fährt gegen UT, das Volumen steigt, der Druck nimmt rapide ab (Arbeit wird verrichtet)
4 - 1 Auspuffen: Der restliche Überdruck entweicht und wir sind wieder bei 1
Die verrichtete Arbeit ist proportional zur eingeschlossenen Fläche. Und damit sieht man schon, was man tun muß um diese größer zu machen. Verdichtest du höher, dann rutscht der Punkt 2 schon mal etwas weiter nach links und nach oben, ebenso Punkt 3, während Punkt 4 u. 1 gleich bleiben. Damit gewinnst du zusätzlich Fläche, du steigerst die verrichtete Arbeit.
Grüße,
Zeph
Zitat:
@navec schrieb am 3. August 2020 um 09:07:35 Uhr:
Bei aktuelleren Turbobenzinern (z.B. VW-TSIs) macht man genau das Gegenteil:
Der Krümmer befindet sich quasi im Zylinderkopf.
Begründung von VW:
Schnelleres Aufheizen, bessere Abkühlung bei großer Motorlast.
Der Motorraum, wird dadurch natürlich auch etwas weniger beheizt.
Natürlich. Es gibt beim Motor ja nicht nur ein, zwei Parameter die den Verbrauch beeinflussen. Wenn ich einen dermaßen guten Turbo habe (beispielsweise einen VTG-Lader), dann kann ich auf die paar Prozent verzichten, spare aber bei der Volllastanreicherung. Es gibt viele Wege die zum Ziel führen und viele widersprechen sich.
Grüße,
Zeph
Ähnliche Themen
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 09:23:38 Uhr:
Zitat:
@navec schrieb am 3. August 2020 um 09:07:35 Uhr:
Bei aktuelleren Turbobenzinern (z.B. VW-TSIs) macht man genau das Gegenteil:
Der Krümmer befindet sich quasi im Zylinderkopf.
Begründung von VW:
Schnelleres Aufheizen, bessere Abkühlung bei großer Motorlast.
Der Motorraum, wird dadurch natürlich auch etwas weniger beheizt.Natürlich. Es gibt beim Motor ja nicht nur ein, zwei Parameter die den Verbrauch beeinflussen. Wenn ich einen dermaßen guten Turbo habe (beispielsweise einen VTG-Lader), dann kann ich auf die paar Prozent verzichten, spare aber bei der Volllastanreicherung. Es gibt viele Wege die zum Ziel führen und viele widersprechen sich.
Grüße,
Zeph
Dass sich der Krümmer im Zylinderkopf befindet, hat offenbar auch ohne VTG-Lader mehr Vor- als Nachteile, denn diese Eigenschaft gibt es bei den VW-TSIs schon über 10 Jahre, während es VTG-Lader bei VW-TSIs, erst seit kurzer Zeit (und m.E. auch nur bei einem Motor-Modell) gibt.
VTG Lader haben mittlerweile auch die 1.0, weil die auch Millern.
Hauptsächlich ist's die wegfallende Volllastanreicherung. Ohne Abgaskühlung (=Verlust) im integrierten Krümmer würde der Turbo verglühen. Und mit Volllastanreicherung auf Lambda 0.8 säuft er wie ein Loch. Da kann man sich diese Kühlverluste durchaus leisten. Ist halt immer ein Trade-Off.
Grüße,
Zeph
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 09:21:37 Uhr:
Verdichtest du höher, dann rutscht der Punkt 2 schon mal etwas weiter nach links und nach oben, ebenso Punkt 3, während Punkt 4 u. 1 gleich bleiben. Damit gewinnst du zusätzlich Fläche, du steigerst die verrichtete Arbeit.
Ja, aber warum ist das so??
Der höhere Druck muß ja irgendwas verbessern im Chemischen Prozess. Sind die Moleküle dichter beieinander und reagieren daher besser/schneller?
Gruß Metalhead
Zitat:
@metalhead79 schrieb am 3. August 2020 um 09:53:36 Uhr:
Ja, aber warum ist das so??
Das ist einfache Geometrie. Gehen wir von 100ccm aus.
Ich verdichte 8:1 und komme am OT auf 12.5ccm und 8bar Druck. Verdichte ich aber 10:1, komme ich auf 10ccm bei 10bar Druck. Da ist noch nix verbrannt, dennoch ist der Punkt 2 weiter links und etwas höher. Bei der Verbrennung bringe ich dann Energie ein, dadurch steigt der Druck. Bringe ich bei beiden Fällen gleich viel Energie ein, dann wird der Druck beim kleineren Volumen deutlich höher steigen (deswegen ist Punkt 3 dann auch höher oben. Und das hat noch immer nix mit besserer Verbrennung zu tun.
Wie gesagt, du spannst einfach eine weitere Fläche auf. So als würdest du bei deinem Gründstück die Zaunpfähle weiter nach außen versetzen.
Zitat:
@metalhead79 schrieb am 3. August 2020 um 09:53:36 Uhr:
Der höhere Druck muß ja irgendwas verbessern im Chemischen Prozess. Sind die Moleküle dichter beieinander und reagieren daher besser/schneller?
Das kann dir sicher GaryK sagen, der kennt sich da deutlich besser aus.
Grüße,
Zeph
Zitat:
@metalhead79 schrieb am 3. August 2020 um 09:53:36 Uhr:
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 09:21:37 Uhr:
Verdichtest du höher, dann rutscht der Punkt 2 schon mal etwas weiter nach links und nach oben, ebenso Punkt 3, während Punkt 4 u. 1 gleich bleiben. Damit gewinnst du zusätzlich Fläche, du steigerst die verrichtete Arbeit.
Ja, aber warum ist das so??
Der höhere Druck muß ja irgendwas verbessern im Chemischen Prozess. Sind die Moleküle dichter beieinander und reagieren daher besser/schneller?Gruß Metalhead
Der Expansionshub vergrößert sich und der Druckanstieg durch die Verbrennung fällt höher aus.
Man hat damit mehr Druck und mehr Strecke, auf der man diesen arbeiten lässt.
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 09:53:29 Uhr:
Hauptsächlich ist's die wegfallende Volllastanreicherung.
bei den VW-TSIs fällt die nicht mal weg, sondern verringert sich lediglich.
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 10:00:36 Uhr:
Bringe ich bei beiden Fällen gleich viel Energie ein, dann wird der Druck beim kleineren Volumen deutlich höher steigen ...
Ja aber die höhere Verdichtung hast du ja mit höherem Energieeinsatz vor der Verbrennung erkauft.
@GaryKZitat:
Das kann dir sicher GaryK sagen, der kennt sich da deutlich besser aus.
bisher hat mir das noch kein KFZler erklären können (kommt wohl nicht in der Berufsschule dran). 😉
Gruß Metalhead
Zitat:
@FWebe schrieb am 3. August 2020 um 10:02:42 Uhr:
Der Expansionshub vergrößert sich und der Druckanstieg durch die Verbrennung fällt höher aus.
Man hat damit mehr Druck und mehr Strecke, auf der man diesen arbeiten lässt.
Das würde Sinn machen, aber das könnte man doch auch einfach durch mehr Hub (also längeres Pleul) erreichen und die Verdichtung gleich lassen. Ist das so?
Gruß Metalhead