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Warum haben Pkw - Reihenvierzylindermotoren immer Flatplane - Kurbelwellen?

Themenstarteram 24. April 2015 um 17:39

Hallo,

Frage steht oben. Im Motorradbereich gibt es ja auch Vierzylinder mit Crossplane - Welle, warum nicht beim Pkw?

Beste Antwort im Thema
am 24. April 2015 um 18:27

Flatplane haben einen ruhigeren lauf.Ganz einfach. Bei V8 Motoren kann man das schön feststellen.

Crossplane (Amis) richtig blubbern und Flatplane laufruhiger.

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Hier die Erklärung von Yamaha:

Kurbelwelle mit individuellem Hubzapfenversatz

Unzweifelhaft stellt die neue Kurbelwelle mit je um 90° versetzten Hubzapfen die wichtigste Neuerung am Reihen-Vierzylinder dar. Eine solche Kurbelwelle hat sich beim Einsatz in der Yamaha YZR-M1 bewährt, weil sie die Drehmomententfaltung linearer und kräftiger gestaltet und so für den Fahrer berechenbarer macht. Deshalb haben die Ingenieure diese Technik nun auf ein Serienmotorrad übertragen.

Der neue Motor weist eine lineare Kraftentfaltung auf und sorgt für ein Verhältnis von 1:1 zwischen der Gasgriffstellung und der Leistung, die der Motor zum Hinterrad schickt. Dank dieser Leistungscharakteristik kann der Fahrer noch in Schräglage präzise an der Reifen-Haftgrenze aus der Kurve heraus beschleunigen und erlebt dabei ein Fahrgefühl auf bislang unbekanntem Niveau.

Die Kurbelwelle mit dem speziellen Hubzapfenversatz führt außerdem zu einem völlig neuen Auspuffgeräusch, das selbstverständlich dem der YZR-M1 sehr ähnlich ist.

Die Suche nach purem Drehmoment

Durch die Verbrennung im Zylinder oberhalb des Kolbens stemmt sich das Pleuel über den Hubzapfen auf die Kurbelwelle und produziert so im klassischen Sinn Drehmoment pur – Kraft mal Hebelarm. Weil aber der Verbrennungsdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl variiert, verändert sich auch das Drehmoment ständig. Arbeiten vier Kolben auf einer Kurbelwelle, so addieren sich die Einzeldrehmomente zu einem resultierenden Drehmoment. Was davon in Richtung Hinterrad geschickt wird, hängt wiederum auch von der Masse des Kurbeltriebs ab, denn die muss erst einmal in Schwung gebracht werden.

Je schneller die Kurbelwelle rotiert, desto häufiger stemmen die Pleuel Kraft auf die Hubzapfen. Die Bewegungsenergie der Kurbelwelle wird immer größer, denn sie resultiert aus der Drehzahl und der Masse. Aber die Charakteristik der Kraftentfaltung hängt auch vom Zündversatz sowie von der oszillierenden Masse ab, also dem Teil des Kurbeltriebs, der sich auf und ab bewegt.

Der beste Kurbeltrieb ist also derjenige, der spontan auf den Gasbefehl reagiert und somit zu einer für den Fahrer kontrollierbaren Leistungsentfaltung beiträgt.

 

Zündversatz: 270º - 180º - 90º - 180º

Bei zahlreichen Tests mit einem Reihen-Vierzylindermotor stellte sich heraus, dass eine Kurbelwelle mit jeweils um 90 Grad versetzten Hubzapfen dieses Ziel am besten erreicht. Im Gegensatz zu einem konventionellen Aufbau wie im YZF-R1-Modell 2008, bei dem die Hubzapfen so angeordnet sind, das zwei Kolben-/ Pleuelpaare parallel auf der Kurbelwelle montiert sind und sich somit ein gleichmäßiger Zündversatz alle 180 Grad Kurbelwellenwinkel ergibt, sitzen beim neuen Motor die Hubzapfen auf völlig unterschiedlichen Punkten, die jeweils um 90 Grad versetzt sind. Es gibt also in den Zylindern keine Parallelbewegung der Kolben, es ergibt sich ein Zündversatz von 270º - 180º - 90º - 180º.

Die im Vergleich zum konventionellen Aufbau ungleichmäßige Zündfolge führt zu einem stärker pulsierenden Drehmomentverlauf im unteren und mittleren Drehzahlbereich, womit aber der Einfluss der in Rotation befindlichen Masse in den Hintergrund gedrängt wird. Der Fahrer bekommt ein besseres Gefühl für den äußerst linearen Kraftverlauf und kann diesen beim Beschleunigen im gesamten Drehzahlbereich leichter kontrollieren.

Um die Druckentfaltung beim Verbrennungsvorgang zu optimieren, steht für jeden Zylinder ein eigenes Kennfeld für Einspritzung und Zündung zur Verfügung. Auch diese Technik trägt zur linearen, kräftigen Drehmomententfaltung bei, die in einem konventionell aufgebauten Motor nicht möglich wäre.

Damit der neue YZF-R1-Motor Laufruhe bewahrt, treibt die Kurbelwelle direkt eine Ausgleichswelle an, die den Schwingungen des Kurbeltriebs entgegen wirkt.

Bislang wurden Kurbelwellen mit individuell platzierten Hubzapfen nur im Rennsport eingesetzt. Der Fertigungsaufwand des Kurbeltriebs erschien zu hoch, und auch andere Faktoren wie die zeitlich versetzten Druckverläufe in den vier Zylindern und die Vibrationen sprachen dagegen. Ein Einsatz im Großserienbau blieb dieser Technik daher verwehrt. Jetzt aber beweist die neue YZF-R1, dass ein Reihenvierzylindermotor mit dieser technischen Raffinesse in der 1000 ccm-Supersport-Kategorie eine besonders reizvolle Innovation darstellt.

Sorry, aber die "Erklärung" von Yamaha ist pures Marketinggeschwätz ohne nachvollziehbaren technischen Hintergrund.

Die Krönung ist dann die Ausgleichswelle, die ja wiederum das Trägheitsmoment erhöht. Aus meiner Sicht also völliger Bullshit.

Zitat:

@Rael_Imperial schrieb am 25. April 2015 um 21:32:58 Uhr:

Sorry, aber die "Erklärung" von Yamaha ist pures Marketinggeschwätz ohne nachvollziehbaren technischen Hintergrund.

Die Krönung ist dann die Ausgleichswelle, die ja wiederum das Trägheitsmoment erhöht. Aus meiner Sicht also völliger Bullshit.

Also das meiste was dort steht ist tatsächlich kompletter Unsinn.

Wie ich aus dem folgenden Link sehe dürfte es eher um die oszilliernden Massen gehen. Die Drehmomentwirkung der osz. Massenkräfte ist nämlich in den beiden Totpunkten null dagegen in der Nähe von 90 grd ein Maximum. (Es geht hier nicht um den Druck durch die Verbrennung!) Durch diese Anordnung vergleichmäßigen sie die Wirkung der osz. Masssenkräfte weitestgehend. So gesehen dürfte sich dass dann tatsächlich positiv für die Drehschwingungen auswirken.

Sie nehmen dafür sogar die daraus ungleichmäßige Zündfolge in Kauf. Aber die Massenkräfte sind natürlich bei der hohen Drehzahl von Motorradmotoren sehr hoch und können, was Schwingungen betrifft ein größeres Problem darstellen als die Kräfte durch den Zündruck.

Die Massenkräfte der osz. Massen heben sich über eine Umdrehung zwar wieder auf, sind aber bei der herkömmlichen Anordnung periodisch sehr hoch.

Auch im folgenden Link steht einiger Blödsinn, aber was bei den Bildern als Erklärung steht paßt so einigermaßen.

Hier ist Dank Google der Link: http://www.1000ps.at/testbericht-2341522-yamaha-r1-2009

Übrigens was die rotierenden Massen betrifft ist es genau umgekehrt. Die sind bei der herkömmlichen Welle völlig ausgeglichen während hier ein unausgeglichenes Moment entsteht. Deshalb brauchen sie auch die Massenausgleichswelle. Allerdings bewirken die rotierenden Massenkräfte kein Drehmoment auf die Welle und sind daher was Schwinungen betrifft auch kein Problem.

Mal abgesehen davon, dass ich die Sache immer noch nicht ganz durchblicke (so dürften die Drehmomentdiagramme prinzipiell falsch sein, da das höchste Drehmoemnt das der Verbrennung sein müsste): Bei den angegebenen 200 Umdrehungen pro Sekunde und somit 400 Verbrennungen pro Sekunde (bei einem mittleren Zündabstand von 180 Grad) reden wir hier über einen Effekt, der alle 2,5 ms auftritt. Da kann es gar keinen Zusammenhang zwischen Gashebelstellung und Leistungsabgabe geben (wie behauptet).

Noch etwas:

Die rotierenden Massen lassen sich eigentlich zur Gänze durch Gegengewichte ausgleichen, sofern genug Platz vorhanden ist.

Wie man im Link sieht ist der 1. Zylinder oben, der 4. Zylinder ist unten. Das heißt die Massenkraft des 1. Kolbens zieht nach oben die des 4. Kolbens drückt nach unten. Die osz. Massen bewirken also ein Moment um die Querachse des Motors. Da dieses Moment durch die osz. Massen (nicht die Drehmomentwirkung!) in den Totpunkten ein Maximum ist dagegen bei etwa 90 grd KW null kann man das durch Gegengewichte an der Kurbelwelle nicht mehr ausgleichen. Man braucht eine gegenläufige zweite Welle deren Massenwirkung sich bei 90 grd aufhebt.

Das vorher gesagte mit den rotierenden Massen ist zwar nicht falsch aber die lassen sich durch Gegengewichte vollständig ausgleichen.

So genug für heute.

Zitat:

@Rael_Imperial schrieb am 25. April 2015 um 23:10:14 Uhr:

Mal abgesehen davon, dass ich die Sache immer noch nicht ganz durchblicke (so dürften die Drehmomentdiagramme prinzipiell falsch sein, da das höchste Drehmoemnt das der Verbrennung sein müsste): Bei den angegebenen 200 Umdrehungen pro Sekunde und somit 400 Verbrennungen pro Sekunde (bei einem mittleren Zündabstand von 180 Grad) reden wir hier über einen Effekt, der alle 2,5 ms auftritt. Da kann es gar keinen Zusammenhang zwischen Gashebelstellung und Leistungsabgabe geben (wie behauptet).

Also bei hochtourigen Motoren können die Massenkräfte durchaus größer sein als die Kräfte durch die Zünddrücke, nur das sich die Massenkräfte halt über eine Umdrehung wieder aufheben.

Das mit der Gashebelstellung etc. ist natürlich Unsinn um nicht ein schlimmeres Wort zu verwenden.

Hier hat es doch tatsächlich jemand geschafft, das Ganze mal halbwegs verständlich darzustellen:

http://www.ashonbikes.com/cross-plane_crank

Geht doch!

Zitat:

@Rael_Imperial schrieb am 26. April 2015 um 00:17:07 Uhr:

Hier hat es doch tatsächlich jemand geschafft, das Ganze mal halbwegs verständlich darzustellen:

http://www.ashonbikes.com/cross-plane_crank

Geht doch!

Ja ist dort gut beschrieben.

Sie kaufen sich dafür eine ungleichmäßige Zündfolge ein.

Weiters ein Moment 1. Ordnung um die Querachse des Motors, dafür brauchen sie die Ausgleichswelle.

Die Massenkräfte 2. Ordnung, die sich sonst beim 4 Zylinder für alle 4 osz. Massen addieren verringern sich auch.

Auf den Gaswechsel wirkt es sich wahrscheinlich nur gerigfügig aus.

Aber das pulsierende Drehmoment durch die osz. Massen wird wohl bei der hohen Drehzahl das gravierende Problem sein.

Habe ich mir noch einmal anschauen müssen das Ganze, ist schon ausgesprochen interessant.

Also dass diese Anordnung das pulsierende Drehmoment durch die osz. Massenkräfte und damit auch die Drehschwingung der Kurbelwelle massiv reduziert ist unbestritten.

Durch Überlagerung von Zünddruck und Verdichtung reduziert sich sogar die Drehmomentschwankung durch den Verbrennungsdruck deutlich. (http://www.1000ps.at/testbericht-2341522-yamaha-r1-2009)

Sonst ist natürlich ein unregelmäßiger Zündabstand von 270-180-90-180 nicht gerade ein Vorteil. Das mit einer besseren Reaktion auf den Gasgriff in Verbindung zu bringen da gehört freilich schon auch etwas dazu. Na ja PR Menschen schaffen selbst das.

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