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Die Physik rund ums KFZ - Der Physikthread

Themenstarteram 27. Juli 2020 um 9:22

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
Themenstarteram 27. Juli 2020 um 9:22

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

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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?

Physik. Du expandierst im Mittel einfach mehr. Expansion ist Abkühlung, je mehr du abkühlst desto höher wird der Carnot-Wirkungsgrad. Die Expansion macht am Ende "die mechanische Arbeit".

Deswegen hilft dir auch eine hohe Oktanzahl, weil du schlicht höher verdichten kannst ohne dass es "homogen knallt". Und das ist halt der Trick am Atkinson/Miller Cycle - du verdichtest durch "teilweise Füllung" des Brennraums auf einen Druck der ohne klopfen/klingeln handhabbar ist und kannst trotzdem 13:1 geometrisch expandieren. Und damit Wirkungsgrad rausholen. Weshalb auch Millermotoren mit Erdgas ziemlich Potenzial haben. Oktanzahl von rund 130 bei Methan.... damit kannste einen Otto durchaus mit der geometrischen Verdichtung bzw. Expansion des Diesels (typisch 16:1) fahren.

 

Themenstarteram 3. August 2020 um 8:40

Zitat:

@metalhead79 schrieb am 3. August 2020 um 10:31:22 Uhr:

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

Nein. Durch ein längeres Pleuel änderst du ja nichts am Hub (sprich die Kröpfung der Kurbelwelle). Was du aber machen kannst, ist mit 8:1 verdichten (indem du das Einlassventil beim Ansaugen vor UT schließt, oder nach UT im Kompressionstakt erst schließt), aber mit 10:1 expandieren. Das ist genau das, was die Atkinson/Miller-Motoren machen.

Einziger Nachteil, du hast eine geringere Literleistung bei diesen Maschinen, da du ja nur einen Teil des Hubraums vom Luftvolumen (und damit maximaler Einspritzmenge) her nutzt.

Grüße,

Zeph

Zitat:

@Zephyroth schrieb am 3. August 2020 um 10:40:15 Uhr:

Nein. Durch ein längeres Pleuel änderst du ja nichts am Hub (sprich die Kröpfung der Kurbelwelle).

Ja, Denkfehler.

Kröpfung der KW müsste höher werden, aber um dann nicht den Hubraum zu vergrößern müsste ja die Bohrung kleiner werden (und Kraft ist ja Druck mal Fläche und letzere wird kleiner).

@GaryK Danke, also die Chemie spielt überhaupt nicht rein?

Soweit ich weiß unterscheiden sich ja Flammgeschwindigkeiten bzw. Verbrennungstemperaturen durchaus mit dem herrschenden Druck.

Gruß Metalhead

Die Energie ist aber unterm Strich die selbe. Vollständige Verbrennung, die kommt "oben drauf". Im normalen Bereich ist die Flamme eh schnell im Vergleich zum Kolben. Mehr geht eben nicht.

In Behältern mit potenzieller "Ex-Atmosphäre" rechnet man mit pauschal "+10 bar" ... wenn der Behälter also 10 bar mehr als der Fülldruck mit der potenziellen "Ex Atmosphäre" kann - bei einem "rumms" kann dann nix wirklich bersten.

Zitat:

@GaryK schrieb am 3. August 2020 um 11:01:20 Uhr:

Die Energie ist aber unterm Strich die selbe. Vollständige Verbrennung, die kommt "oben drauf". Mehr geht nicht.

Ja, aber es macht doch einen Unterschied ob der maximale Druck (sprich alles vollständig verbrannt) schon kurz nach OT da ist, oder die Verbrennung noch läuft kurz bevor das Auslassventil öffnet.

Je früher die Verbrennung fertig ist, umso länger wirkt doch der maximal mögliche Druck auf den Kolben.

Quasi das Prinzip der Vollastanfettung (bzw. das runterregeln des Lambdawertes).

Gruß Metalhead

Im Idealfall willst du tatsächlich das Gemisch möglichst früh und gleichzeitig abbrennen, dafür braucht man idealerweise eine Kompressionszündung.

Die laminare Flamme ist eh langsam gegenüber der turbulenten Flammfront. Die laminare Flammgeschwindigkeit sinkt sogar mit steigendem Druck. Siehe DOI 10.1016/s0010-2180(97)00349-0

Die Turbulenz im Brennraum durch dessen Gestaltung & Strömungsführung spielt halt eine nennenswerte Rolle für den Wirkungsgrad. Gerade "obenrum" wenns schnell gehen muss. Womit wir wieder bei der Nockenwellenverstellung und Phase/Hub sind ;)

 

Laminare Flammgeschwindigkeiten f(T, p)
Themenstarteram 3. August 2020 um 9:33

Zitat:

@metalhead79 schrieb am 3. August 2020 um 10:55:18 Uhr:

Ja, Denkfehler.

Kröpfung der KW müsste höher werden, aber um dann nicht den Hubraum zu vergrößern müsste ja die Bohrung kleiner werden (und Kraft ist ja Druck mal Fläche und letzere wird kleiner).

Richtig, aber nicht vergessen, der Hebelarm, an dem die geringere Kraft (aufgrund der kleineren Kolbenfläche) angreift ist um das länger!

Das ist auch der Grund, warum das Drehmoment nur von Hubraum und Mitteldruck abhängig ist und nicht wie oft geglaubt von Bohrungsdurchmesser und Hub.

Grüße,

Zeph

Ich denke, dass die Legende vom "Langhuber" und "Drehmoment untenrum" daher stammt, dass Langhuber kleinere Einklassventile haben, daher "Untenrum" durch den höheren Strömungswiderstand mehr Turbulenz im alltagsrelevanten Drehzahlbereich erzeugen.... Der hohe Widerstand verhindert im Gegenzug halt sehr erfolgreich auch höhere Drehzahlen, Kolbengeschwindigkeit mal außen vor.

Die Kurzhuber mit hoher Literleistung und riesigen Ventilen "verkacken" halt untenrum was Turbulenz angeht. Aber oben gehen die dann richtig gut.

Themenstarteram 3. August 2020 um 10:51

Ja, ich weis. Mein 3.0er-V6 im Accord hatte da eine spezielle Variante des VTEC. Er lies bis 3000U/min mal eben ein Einlassventil zu. War übrigens ein Square-Huber mit 86x86mm.

Grüße,

Zeph

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