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Verbrennungsmotor: Was beeinflusst (Konstruktiv) die Drehzahl?

Themenstarteram 6. April 2014 um 11:47

Hallo Leute,

ich habe im Netz schon länger nah einer Antwort auf meine Frage gesucht, aber leider nichts gefunden. Ich hoffe ihr versteht was ich meine und könnt mir eine Antwort geben.

Es geht um die Drehzahl eines Verbrennungsmotors. Mir ist bisher bewusst ist, dass die Drehzahl eines Motors nicht direkt geregelt wird, sondern aus anderen Dingen resultiert. Bei einem normalen Saugmotor gebe ich die Kraftstoffmenge durch Gaspedalstellung/Drosselklappenstellung vor. Je nachdem welche Fahrtwiederstände wirken (Luft-, Steigungs- oder Beschleunigungswiederstand, etc.), wird zum ausgleich der Kräfte ein bestimmtes Drehmoment am Rad bentigt und eine entsprechende Drehzahl stellt sich ein.

Was ich bisher noch nicht verstanden habe, ist, wie der Drehzahlbereich eines Motors konstruktiv vorgegeben wird. Ein Normaler Otto PKW dreht zum Beispiel zwischen 5000 und 6000 u/min, ein Formel 1 Motor ca 16.000-18.000 u/min und ein großer Langsamläufer nur wenige 100 u/min. Was ist in den jeweiligen Motoren anders?

um die Frage nochmals anders zu Formulieren: Wenn ich einen Motor entwickeln will, wie muss ich ihn Bauen, damit er ein Langsamläufer, ein normaler Pkw-Motor, oder ein Formel 1 Motor wird.

Sind die Massenkräfte vielleicht des Rätsels Lösung?

Hoffe ihr könnt mir helfen

Viele Grüße

Daniel

Beste Antwort im Thema

Ja, auch die Massekräfte sind entscheidend. Die Zentrifugalkraft steigt nämlich mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit.

F=m x omega² x r

 

Je nach Zylinderzahl können Massekräfte 1. 2. und 3. Ordnung reduziert bzw. kompensiert werden. Deswegen läuft ein R4 rauer als ein R6 oder V8. Siehe  Massenausgleich Hubkolbenmotor.

 

Weiterhin ist die Kolbengeschwindigkeit ein begrenzender Faktor. Diese resultiert aus der Drehzahl und dem Hub. Je größer der Hub, desto schneller muss der Kolben sein, um bei einer Umdrehung den Weg zurückzulegen und umso höher sind die Beschleunigungen. Versuche mal einen 20kg schweren Kolben innerhalb von 20cm auf 20m/s zu beschleunigen und wieder abzubremsen. Da wirken ungeheure Kräfte!

 

Man kann also grob sagen, je größer der Motor, umso niedriger wird die Drehzahl.

Die Leistung schöpfen große Motoren auch eher aus dem Drehmoment als der Drehzahl, wenn man das mal so salopp sagen kann.

 

Wenn man jetzt einen Motor mit möglichst hoher Drehzahl bauen will, dann nimmt man 6 oder besser 8 Zylinder, sehr geringe Einzelhubräume und sehr leichte, stabile Materialien für Kurbelwelle, Pleulstange und Kolben.

 

 

Hier mal ein Kolben eines 2-Takt Diesels mit 570kg Gewicht

 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/KSGD.jpg

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Ja, auch die Massekräfte sind entscheidend. Die Zentrifugalkraft steigt nämlich mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit.

F=m x omega² x r

 

Je nach Zylinderzahl können Massekräfte 1. 2. und 3. Ordnung reduziert bzw. kompensiert werden. Deswegen läuft ein R4 rauer als ein R6 oder V8. Siehe  Massenausgleich Hubkolbenmotor.

 

Weiterhin ist die Kolbengeschwindigkeit ein begrenzender Faktor. Diese resultiert aus der Drehzahl und dem Hub. Je größer der Hub, desto schneller muss der Kolben sein, um bei einer Umdrehung den Weg zurückzulegen und umso höher sind die Beschleunigungen. Versuche mal einen 20kg schweren Kolben innerhalb von 20cm auf 20m/s zu beschleunigen und wieder abzubremsen. Da wirken ungeheure Kräfte!

 

Man kann also grob sagen, je größer der Motor, umso niedriger wird die Drehzahl.

Die Leistung schöpfen große Motoren auch eher aus dem Drehmoment als der Drehzahl, wenn man das mal so salopp sagen kann.

 

Wenn man jetzt einen Motor mit möglichst hoher Drehzahl bauen will, dann nimmt man 6 oder besser 8 Zylinder, sehr geringe Einzelhubräume und sehr leichte, stabile Materialien für Kurbelwelle, Pleulstange und Kolben.

 

 

Hier mal ein Kolben eines 2-Takt Diesels mit 570kg Gewicht

 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/KSGD.jpg

Themenstarteram 6. April 2014 um 13:27

ok gut, dass habe ich verstanden, auf Massenkräfte 1. 2. und 3. Ordnung sind mir ein Begriff.

Auch das mit der mittleren Kolbengeschwindigkeit ist logisch. die Dadurch entstehenden kräfte müssen natürlich unter den Materialgrenzen sein.

Aber die mittlere Kolbengeschwindigkeit hat ja in em Sinne keinen regelnden Einfluss auf die Drehzahl. Der Motor weiß ja nicht, dass an einem bestimmten Punkt die Maximale mittlere Kolbengeschwindigkeit für das verwendete Material erreicht wurde und desshalb nicht schneller laufen darf.

Die Massenträgheit ist dann denke ich der die Antwort auf meine Frage:

Große Motoren haben größere und schwere Bauteile, und damit eine höhere Massenträgheit weshlb die Drehzahl automatisch langsamer wird.

kleine Motoren besitzen leichtere Kolben,Pleuel etc. und drehen durch die niedrigere Massenträgheit schneller.

wenn ich nun einen fertigen Motor habe der eine maximale Drehzahl von 5000 U/min hat und ich tausche beispielsweise Kolben und Pleuel, etc. durch leichtere Komponenten aus, so verringere ich die Massenträgheit und dadurch erhöht sich die maximale Drehzahl des Motors.

Ein Formel 1 Motor hat also eine deutlich höhere Drehzahl weil die beweglichen Teile sehr leicht, und dadurch geringe Massenträgheitskräfte vorliegen.

Richtig so??

am 6. April 2014 um 13:52

Der Brennraum muß auch in der zur Verfügung stehenden Zeit durchbrennen können. Ist er groß, dauert dies entsprechend lange und begrenzt die maximale Drehzahl.

siehe auch --> http://www.sfb606.kit.edu/.../MessreihenI.html

 

Gruß SRAM

Da kommen aber auch noch andere Faktoren ins Spiel, z.B. die Steuerzeiten. überhaupt muss auch der Ventiltrieb auf solche Drehzahlen ausgelegt sein. Wenn du nur Kolben und Pleuel, Schwungscheibe etc. wechselst, wirst du zwar eine wesentlich höhere Leerlaufdrehzahl brauchen, damit der überhaupt anbleibt, aber noch oben hin wird sich nicht allzuviel tun und dein Drehmoment ist auch zum Teufel.

mfg

Zitat:

Aber die mittlere Kolbengeschwindigkeit hat ja in em Sinne keinen regelnden Einfluss auf die Drehzahl. Der Motor weiß ja nicht, dass an einem bestimmten Punkt die Maximale mittlere Kolbengeschwindigkeit für das verwendete Material erreicht wurde und desshalb nicht schneller laufen darf.

Die mittlere Kolbengeschwindigkeit hängt direkt mit der Winkelgeschwindigkeit zusammen und beeinflusst somit auch direkt die Massenkräfte.

 

 

Zitat:

wenn ich nun einen fertigen Motor habe der eine maximale Drehzahl von 5000 U/min hat und ich tausche beispielsweise Kolben und Pleuel, etc. durch leichtere Komponenten aus, so verringere ich die Massenträgheit und dadurch erhöht sich die maximale Drehzahl des Motors.

 

Ein Formel 1 Motor hat also eine deutlich höhere Drehzahl weil die beweglichen Teile sehr leicht, und dadurch geringe Massenträgheitskräfte vorliegen.

 

Richtig so??

Die maximale Drehzahl eines Motors ist durch den Begrenzer geregelt. Die Bauteile sind so ausgelegt, dass sie im definierten Drehzahlbereich dauerfest sind. Benziner werden über die Zündung begrenzt und Diesel durch Reduzierung der Einspritzmenge.

 

Motoren werden also so gebaut, dass sie in dem Drehzahlbereich problemlos funktionieren, in dem sie beim optimalem Verhältnis von mittlerem Kolbendruck und Drehzahl die maximale Leistung bringen. 

Aber oberhalb dieser Nenndrehzahl fällt die Leistung ab aufgrund von baulich bedingten Strömungsverhältnissen.

 

Daher reicht Drehzahlerhöhung zum Leistungs-Tuning auch nicht. Die Gemischaufbereitung und das Gaswechselverhalten, oder auch die Zündung müssen modifiziert werden. (Veränderung der Nockenwellengeometrie, Größere Ventile, Kanäle, Verdichtung, Ladedruck, etc..)

 

Beim Überdrehen mutest du den Bauteilen Beschleunigungen, Kräfte, Schwingungen, Reibung, etc. zu, für die sie nicht dimensioniert sind. Außerdem kommen Einspritz- und Zündanlagen irgendwann nicht mehr mit, wenn sie nicht ab Werk entsprechend schnell arbeiten können.

 

Wenn du jetzt einen Serienmotor aus irgend einem Auto nimmst und den Begrenzer außer Funktion setzt, würde der Motor auch höher drehen (soweit es der Kraftstoff zulässt). Aber irgendwann wird die Materialbeanspruchung so groß, dass ein Bauteil versagt. Kurbelwelle, Pleuel, Ventilschaft etc. reißen ab und verursachen einen Motorschaden.

Die Maximaldrehzahlen werden heutzutage mit dem Drehzahlbegrenzer begrenzt. Den hat sowohl jeder PKW-Motor der letzten gut 20 Jahre und viele von davor, die Formel-1-Motoren haben einen, bei Modellmotoren wie den Glühkerzen-Zweitaktern in manchen RC-Modellen sucht man ihn dagegen vergebens.

Wie schon Acanthus1 sagte, werden einige Kräfte mit steigender Drehzahl zunehmend höher, irgendwann ist auch die Grenze des Machbaren mit der jeweiligen Brennraumgröße erreicht. So haben die Modellmotoren quasi einen mechanischen Drehzahlbegrenzer ;)

Auch Ventile und Ventiltriebe können auf verschiedene maximale Drehzahlen ausgelegt sein, so haben höher drehende Motoren idR leichtere Ventile ond/oder stärkere Federn.

Bei welcher Drehzahl das höchste Drehmoment anliegt, ist eine Frage von Absimmung, Resonanzen und Geometrie der Kanäle. Auch wie die Geometrie von solchen sachen wie Turbolader oder Kompressor ist, wie die Steuerzeiten, die Öffnungshübe und der Querschnitt der Ventile ist und wann gezündet wird, das alles spielt eine Rolle.

Irgendwann ist der Punkt erreicht, wo das abgegebene Drehmoment durch die oben genannten Dinge sowie durch die von Acanthus1 genannten Umstände schneller sinkt als die Drehzal steigt (Leistung gleich Drehmoment mal Drehzhal mal 2 mal Pi), ist der Punkt der maximalen leistung erreicht.

Edit: Huppala, da wurden einige Beiträge geschrieben, während ich hier im Editor festhing.

Mir fiel jetzt noch die variable Ventilsteuerung ein: Durchgehend mehr als 75% des Drehmomentmaximums von 800 bis 9000/min (Beispiel: Honda S2000) schafft man nur so ;)

Zitat:

Original geschrieben von Acanthus1

Wenn du jetzt einen Serienmotor aus irgend einem Auto nimmst und den Begrenzer außer Funktion setzt, würde der Motor auch höher drehen (soweit es der Kraftstoff zulässt). Aber irgendwann wird die Materialbeanspruchung so groß, dass ein Bauteil versagt. Kurbelwelle, Pleuel, Ventilschaft etc. reißen ab und verursachen einen Motorschaden.

Bei manchen würde sich das auch nicht lohnen. Als Beispiel darf mein Spaßauto herhalten: Der Begrenzer kommt bei 7000/min (ausprobiert ;)), der rote Bereich auf dem Drehzahlmesser beginnt bei 6600/min, man sollte für maximalen Vortieb allerdings schon bei etwa 6000/min hochschalten, da dann im nächsten gang bei ca. 4500/min schon wieder mehr Leistung anliegt. Maximalleistung hat er bei 5200/min.

Das Auto ist ein Daihatsu Cuore L701 mit dem EJ-DE-Motor.

am 6. April 2014 um 14:29

Neben der schon genannten Kolbengeschwindigkeit (die sich durch die Formel Drehzahl x Hub in mm : 30000 berechnen lässt) ist auch die Motorsteuerung ein limitierender Faktor. Sind die Ventilfedern nicht straff genug, schließen die Ventile irgendwann zu spät, das nennt man "Ventilflattern". Im Extremfall kann der Kolben dann, ähnlich wie bei einem gerissenen Zahnriemen, mit den Ventilen kollidieren. Drehzahlbegrenzer sind allerdings im Serienzustand generell so justiert, dass die Kolbengeschwindigkeit (die maximal im Bereich von etwa 22 Meter pro Sekunde liegt, das sind knapp 80 km/h) passt, und auch, dass es zu keinen unpräzisen Ventilöffnungen kommt.

Themenstarteram 6. April 2014 um 15:44

Hallo Leute, danke für die vielen Antworten,

mir geht es wirklich nur darum, durch welche bauliche Größe eine höhere Drehzahl zustande kommt. Dass die einzelnen Komponenten die höheren Belastungen auch aushalten müssen ist mir klar, nur dafür muss ja zuerst einmal eine höhere Drehzahl vorhanden sein. Den Beitrag von Firebird habe ich auch schon gelesen nur dort geht es in die andere Richtung, nämlich Maßnahmen, die bei hoher drehzahl getroffen werden müssen.

Hier ist jetzt auch viel von Drehzahlbegrenzern gesprochen worden. Also würde ein Motor ohne Drehzahlbegrenzer seine Drehzahl theoretisch immer weiter steigern (bis das Leistungsmaximum erreicht ist)?

Ich habe mir halt überlegt, V6 turbo Motoren, wie si zur Zeit in der Formel 1 eingesetzt werden, sind ja auch in normalen PKW vorhanden. Der Große Drehzahlunterschied muss ja durch irgendwas erzeugt werden...

Zitat:

Original geschrieben von les-paul

 

Hier ist jetzt auch viel von Drehzahlbegrenzern gesprochen worden. Also würde ein Motor ohne Drehzahlbegrenzer seine Drehzahl theoretisch immer weiter steigern (bis das Leistungsmaximum erreicht ist)?

Das hatte ich in meinem letzten Absatz geschrieben. Er würde die Drehzahl so lange steigern, bis die Einlassgeometrie, Einspritzung, der Vetiltrieb etc. die jeweils bauliche Grenze erreicht. Sei es Festigkeit, Fördermenge, Dynamik..

 

Die letztendliche Grenze ist die Flammgeschwindigkeit. Schneller als die Explosion des Gemisches kann der Kolben nicht werden.

Das kann man so nicht sagen und ist einzelfallabhänig.

am 6. April 2014 um 16:26

Zitat:

Original geschrieben von les-paul

Also würde ein Motor ohne Drehzahlbegrenzer seine Drehzahl theoretisch immer weiter steigern (bis das Leistungsmaximum erreicht ist)?

Er würde sogar noch höher drehen als die Drehzahl, bei welcher die maximale Leistung anliegt.

Zitat:

Ich habe mir halt überlegt, V6 turbo Motoren, wie si zur Zeit in der Formel 1 eingesetzt werden, sind ja auch in normalen PKW vorhanden. Der Große Drehzahlunterschied muss ja durch irgendwas erzeugt werden...

Wurde doch schon erwähnt. Kleiner Hub, möglichst leichte Bauteile (Kolben, Pleuel und Ventile) sowie straffe Ventilfedern, und das Ding dreht wie blöd, ohne dass die Kolbengeschwindigkeit zu hoch wird.

Einer der im Serienbau höchstdrehendsten Motoren dürfte das vierzylindige und nur 599 cm³ große, jedoch 120 PS starke Aggregat der Honda CBR 600 sein. Bei 13.500 U/min. erst wird die maximale Leistung erreicht. Durch den sehr kleinen Hub von nur 4.25 cm ist die Kolbengeschwindigkeit bei dieser Drehzahl trotzdem mit rund 19 m/s recht human. Ein vergleichsweise humaner BMW M54 - Motor, hier als Langhuber ausgelegt (B30 mit 231 PS), hat im Bereich seiner Nenndrehzahl (5900 U/min.) praktisch die gleiche Kolbengeschwindigkeit.

Das stimmt so nicht ganz. Ein Diesel würde sich totlaufen, der muss einen Begrenzer haben; ein Benziner braucht ihn theoretisch nicht. Als die Autos noch mit Vergasern liefen, hatten sie bis auf wenige Ausnahmen keine Begrenzer. VW Bus T2 fällt mir da ein, da war das über ein Fliehgewicht im Verteilerfinger geregelt, der ab einer gewissen Drehzahl die Zündung kurzgeschlossen hat. Aber Golf1, Audi usw. hatten das eigentlich nicht.

Der Fahrer musste halt aufpassen, dass er die Kiste nicht überdreht, von selber hat der Motor das allerdings nicht gemacht.

mfg

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