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Frage zur Aufladung
Gegeben ist ein Einzylinder 4-Takter Saugmotor mit 1l Hubraum. Verdichtung 15:1
Der Motor komprimiert vereinfacht 1000ml Kraftstoff/Luft-Gemisch auf ein Fünfzehntel.
Drosselverluste und thermodynamische Effekte außen vor gelassen.
Würde man die Verdichtung auf 20:1 erhöhen, würde der Motor die 1000ml auf das Zwanzigstel komprimieren und der Motor würde wahrscheinlich klopfen.
Nun der selbe Motor, 4-Takter Motor mit 1l Hubraum. Verdichtung 15:1 mit Aufladung. 1 Bar Ladedruck. Die effektive Verdichtung, verglichen mit dem Saugmotor, wäre verdreißigt.
Warum kommt es da nicht zum klopfen?
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13 Antworten
Die Verdichtung wird ja nicht vergreißigfacht.
Zitat:
@Rainer_EHST schrieb am 6. August 2018 um 18:22:17 Uhr:
Die Verdichtung wird ja nicht vergreißigfacht.
Im Vergleich zum Saugmotor, doch. Es wird beim aufgeladenen Motor nicht ein Liter auf das Fünfzehnfache komprimiert, wie beim Sauger, sondern Zwei Liter Luft (1 Bar Ladedruck), was am Ende so viel ist wie 1 Liter ohne Aufladung auf das Dreißigfache zu komprimieren.
Die Volumenveränderung bleibt aber trotzdem identisch.
Wenn dem so wäre, gäbe es keine Aufladung.
rechne es einfach nach, im ersten Fall sind es 20 bar, im zweiten 30 bar.
Die komprimierte Luft wird nach der Kompression gekühlt, weshalb sie bezogen auf den Druck kälter ist als die im Gemisch verdichtete Luft beim Sauger.
Klopfen können die Motoren trotzdem noch, da die Temperatur ab einer gewissen Verdichtung trotzdem zur Selbstzündung ausreicht, weil die Luft insgesamt wärmer ist und trotzdem genau so stark verdichtet wird.
Letztlich hat man damit zwar mehr Luft und damit mehr Gemisch in der Brennkammer, kann dieses jedoch nicht so hoch verdichten, wodurch zwar durch die Gemischmenge die Kraft steigt, durch den kürzeren Arbeitstakt jedoch die Effizienz sinkt.
Das Millerverfahren entgegnet diesem Problem zu einem gewissen Grad.
Bei der Anfettung wird die Wärmekapazität des Kraftstoffnebels genutzt um die Luft abzukühlen, wodurch jedoch nicht mehr alles an Gemisch sauber verbrennen kann und damit der Verbrauch in die Höhe geht und sich das Abgas verschlechtert, so dass zum einen der Katalysator nicht mehr alles reinigen kann und zum anderen der Partikelausstoß steigen kann.
Beliebte Szenarien für sowas sind z.B. die Beschleunigungen an einer Ampel, wobei angemerkt sei, dass kleinere Motoren dieses Problem eher haben als größere.
Die Temperaturentwicklung kann man durch verschiedene Bauweisen und Werkstoffe beeinflussen, jedoch sollte man in dem Szenario immer im Hinterkopf haben, dass der gleiche Aufwand auch beim Sauger betrieben werden und dieser damit wieder höher verdichtet werden kann.
Beim Diesel sieht das ganze aufgrund des Wirkprinzips nochmal anders aus.
Für Ottomotoren kann man grob sagen, dass für höhere Leistungen die Aufladung sinnvoll ist, für höhere Effizienz eher der Sauger. Vergleicht man gleichwertige Motoren, sprich einen Sauger, der bei der Nenndrehzahl des aufgeladenen Motors die gleiche Leistung erzielt, so erreicht der Sauger im effizienten Bereich mehr Leistung, erreicht dafür unterhalb der Nenndrehzahl des aufgeladenen Motors weniger Maximaleistung.
Du machst den Fehler von einer isothermen Zustandsänderung auszugehen, es ist aber eine nahezu adiabate Kompression.
Der Druck im Zylinder steigt bei der Kompression exponentiell an.
Die richtige Formelt ist hier p2 = p1 * (V1 / V2)^Gamma
Wobei Gamma der Adiabatenexponent ist, für Luft ist der Wert 1,4.
Wenn du das durchrechnest wirst du feststellen dass der Druck bei einer Verdichtung von 30:1 wesentlich mehr als doppelt so hoch ist wie bei 15:1.
Grüße
Alexander
Und selbst wenn es bei 30:1 nur der doppelte Druck wäre: Der Motor würde sich nach wenigen Sekunden tot geklopft haben.
Zitat:
@Destructor schrieb am 6. August 2018 um 19:44:42 Uhr:
Du machst den Fehler von einer isothermen Zustandsänderung auszugehen, es ist aber eine nahezu adiabate Kompression.
Der Druck im Zylinder steigt bei der Kompression exponentiell an.
Die richtige Formelt ist hier p2 = p1 * (V1 / V2)^Gamma
Wobei Gamma der Adiabatenexponent ist, für Luft ist der Wert 1,4.
Wenn du das durchrechnest wirst du feststellen dass der Druck bei einer Verdichtung von 30:1 wesentlich mehr als doppelt so hoch ist wie bei 15:1.
Grüße
Alexander
Vielen Dank, das hilft mir schon mal im Verständnis weiter.
Was ich einfach schwer verstehen kann ist, dass es Fahrzeuge gibt, die dergestalt privat getunt sind, dass an einen normalen Ottomotor, z.b. 2 Liter, ein Turbolader angeflanscht wird und damit dann Höchstleistungen von über 1000PS realisierbar sind. Scheinbar kann man mit genügend Aufwand und keinen zu großen Ansprüchen an die Haltbarkeit beliebig viel Luft in den Zylinder gepresst werden, ohne dass es zum klopfen kommt. Beim Sauger dagegen sehr enge Grenzen, was die Verdichtung angeht, gesetzt sind.
1.) Wurden diese 1000 PS auch mal seriös gemessen?
2.) Wie lange halten diese Motoren das aus?
3.) Bei denen wurde das geometrische Verdichtungsverhältnis garantiert deutlich reduziert.
Zitat:
@Natriumdampflampe schrieb am 6. August 2018 um 20:24:31 Uhr:
Vielen Dank, das hilft mir schon mal im Verständnis weiter.
Was ich einfach schwer verstehen kann ist, dass es Fahrzeuge gibt, die dergestalt privat getunt sind, dass an einen normalen Ottomotor, z.b. 2 Liter, ein Turbolader angeflanscht wird und damit dann Höchstleistungen von über 1000PS realisierbar sind. Scheinbar kann man mit genügend Aufwand und keinen zu großen Ansprüchen an die Haltbarkeit beliebig viel Luft in den Zylinder gepresst werden, ohne dass es zum klopfen kommt. Beim Sauger dagegen sehr enge Grenzen, was die Verdichtung angeht, gesetzt sind.
Gerne.
Bei 1000PS aus einem 2l Motor ist in jedem Fall die Verdichtung stark reduziert.
Wenn es einigermaßen vernünftig gemacht wurde sind auch neue Kolben und Pleuel drin.
Kurbelwelle und Block können bleiben wenn die Lager ausgetauscht wurden.
Manchmal muss auch eine neue Kurbelwelle rein.
Vom Kopf bleibt meist nur das Gehäuse, um einen Lader zu füttern der 1000PS bringt muss ein 2l Motor verdammt hoch drehen, da ist der Kopf dann umgebaut auf mechanische Stössel und harte Ventilfedern damit dort auch 9000rpm noch gehen. Dazu dann natürliche neue Nocken die weiter aufgehen damit eine gute Füllung erreicht wird. Zusätzlich eine Wassermethanol Einspritzung und fette Ladeluftkühler um die Temperatur der Ansaugluft runter zu kriegen, sonst klopft sich der Motor zu Tode.
Wenn du das alles machst (wahrscheinlich hab ich noch einige Punkte vergessen) hast du einen 2l Motor der ein paar 1/4 Meilen Rennen übersteht oder ein paar Dyno Runs. Nichts fürs fahren auf der Straße.
Ob der dann wirklich auf 1000PS kommt ist trotzdem fraglich.
Bei einem 2l Motor hört er realistisch (aktuell) bei 500PS +/-50PS auf für ein brauchbares Fahrzeug, also etwas womit man auch auf der Straße ordentlich fahren kann.
1000PS sind selbst in der 3l Klasse, also z.B. Toyota Supra, heftig. Um das zu erreichen steckst du dort 5stellige Summen rein und hast immernoch keinen Daily Driver.
Hier ein Video eines Supra Besitzers:
(falls du Englisch verstehst ;) )
https://www.youtube.com/watch?v=sFW0VTLicXM
Grüße
Alexander
Es gibt in Deutschland einige Golfs, die über 1000 PS haben und teilweise auf der Straße fahren. Einen sehe ich immer bei diversen Drag Racing Veranstaltungen. Der hat ca. 1100 PS, auf einem Prüfstand gemessen und er fährt eine gute 8ter Zeit. Seinen Leistungsbereich hat er zwischen 6000 - 9000 UPM. Alles, was sich unterhalb 6000 UPM abspielt hat er Null Leistung. Wenn der Fahrer sich zum Bespiel verschaltet, dann braucht er extrem lange um wieder in den Bereich zu gelangen, wo die Turbos ordentlich Power liefern. Die Turbos haben für diese Fahrzeuge geradezu groteske Ausmasse, übergröße xxxxl. Die fahren Drücke jenseits von gut und Böse, nämlich zwischen 3,5 - 4,4 Bar. Für die Autobahn und für die 1/4 Mile sicher interessant, für die Stadt jedoch der blanke Horror, weil unterhalb 6000 UPM sich einfach nichts abspielt. Da wird man wahrscheinlich von jeder Straßenbahn abgeledert.
doppelt
Um auf die anfangs gestellte Frage zurück zu kommen:
"Warum kommt es da nicht zum klopfen?"
Klopfen ist eines der größten Probleme bei der Aufladung von Ottomotoren, viel größer als bei Saugmotoren. Bei konstanter Verdichtung steigt der Verdichtungsenddruck proportional mit dem Ladedruck und entsprechend der näherungsweise adiabaten Kompresssion steigt auch die Gastemperatur mächtig an, schon bevor gezündet wird. Die Klopfgefahr steigt mit der Temperatur und dem Druck im Brennraum. Um trotzdem viel Leistung zu bekommen, wird das Verdichtungsverhältnis abgesenkt, die Temperatur durch Ladeluftkühlung und Verdampfungskühlung (Benzin-Direkteinspritzung + ggf. Überanfettung) abgesenkt. Die Spitzendrücke und -temperaturen während der Verbrennung lassen sich mit späten Zündzeitpunkten in den Griff bekommen. Ventilsteuerzeiten, Motorsteuergeräteapplikation und die Einlasskanalgeometrie gehören auch angepasst.
Soweit die konventionelle Aufladungswelt. Will man mehr, dann muss die Chemie des Kraftstoffes geändert werden, also die Klopffestigkeit. Ethanol eignet sich gut und hat noch dazu viel Verdampfungsenthalpie, kühlt also beim Verdichtungstakt ordentlich. Dann kommen praxisferne Turbolader zum Einsatz, die erst bei hohen Motordrehzahlen gute Aufladewirkungsgrade haben, also hohen Ladedruck bei geringem Abgasgegendruck erzeugen; geringer Abgasgegendruck hilft auch gegen Klopfen, genau wie hohe Drehzahlen gut sind. Damit das wenigstens eine gewisse Zeit lang hält, sind massive mechanische Veränderungen und Verstärkungen nötig, wie Destructor und mike cougar schon richtig angemerkt haben. Das ist dann was für Spezialisten mit dickem Geldbeutel.