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Warum steigt der Verbrauch bei gleicher Geschwindigkeit und zunehmender Masse?
Hallo Zusammen,
schon seit einiger Zeit kann ich mir folgendes nicht so richtig erklären:
Weshalb verbraucht ein Auto bei gleichbleibender Geschwindigkeit und zunehmender Masse mehr Treibstoff? Dass dem so sein muss ist mir vollkommen klar, denn die notwendige Energie kann ja nur auf dem Treibstoff kommen.
Nur komme ich mit folgender Überlegung irgendwie auf keinen Nenner:
Angenommen ein Auto hätte nur einen Gang, bzw. eine feste Übersetzung. Dann würde eine Motorumdrehung an die Kurbelwelle weitergegeben werden und daraus würde eine bestimmte Umdrehung der Reifen resultieren.
Erhöht man nun die Masse des Fahrzeuges, dann ändert dies ja grundsätzlich nichts an der Übersetzung und im Endeffekt auch nichts am Abrollweg der Reifen. Sprich eine Umdrehung des Motors entspricht noch immer den selben Weg.
Im Hubraum selber befindet sich ja ein Gemisch aus Luft und Benzin. Der Hubraum hat ein bestimmtes unveränderliches Volumen. Für eine optimale Verbrennung wird ein Gemisch mit einem festen Verhältnis von Benzin / Luft benötigt. Hier besteht ebenfalls keine Möglichkeit der Einflussnahme, oder? Würde ich hier mehr Benzin einspritzen, jedoch weniger Luft, dann wäre die Verbrennung nicht optimal.
Sprich, dadurch kann der steigende Verbrauch ebenfalls nicht kommen?
Übertrage ich das ganze auf ein Fahrrad. Dann fahre ich 1x mit einem leichten Fahrrad und 1x mit einem schweren Rad. Aus einer Pedalbewegung resultiert noch immer der selbe weg, egal welches Rad ich nehme. Was sich jedoch ändert, dass ich mehr Muskelkraft benötige.
Nur wie lässt sich das nun auf den Verbrennungsmotor übertragen? Wie kann dieser die Kraft erhöhen?
Oder kann er das überhaupt nicht und man müsste zwangsmäßig bei höherer Masse die Übersetzung ändern und demnach die Drehzahl erhöhen, um die Geschwindigkeit konstant zu halten?
Das wäre für mich die einzige Erklärung woher ein steigender Verbrauch kommen könnte.
Ich hoffe die Problematik in meinem Gedankengang ist nachvollziehbar und ihr könnt mir auf die Sprünge helfen.
Danke! 
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84 Antworten
Ja ja iss scho guut.
Luftwiderstand. Besser?
Zitat:
@KapitaenLueck schrieb am 12. Januar 2022 um 11:03:56 Uhr:
Ja ja iss scho guut.
Luftwiderstand. Besser?
definitiv
Zitat:
@Supercruise schrieb am 12. Januar 2022 um 09:47:05 Uhr:
Zitat:
@finy007 schrieb am 12. Januar 2022 um 02:57:30 Uhr:
[...] genauso steigt ja auch der Windwiderstand exponentiell an [...]
Der Windwiderstand steigt doch nicht mit der Masse, da besteht keinerlei Zusammenhang. Und warum bezweifelst du, dass ein höherer Rollwiderstand den Verbrauch erhöht? Höher Rollwiderstand = mehr Energie wird benötigt um den Widerstand zu überwinden = höherer Verbrauch, was bleibt unbeantwortet?
Da habe ich tatsächlich Quatsch geschrieben. Den steigenden Rollwiderstand und letztendlich steigenden Verbrauch zweifle ich nicht an. Es ist mir klar, dass mehr Energie notwendig ist, um eine höhere Masse auf einer festen Geschwindigkeit zu halten. Diese Energie kann nur aus dem Kraftstoff kommen. Nur wie genau macht das der Motor technisch, das war meine Frage.
Ggf. ist meine Überschrift auch nicht richtig gewählt, besser wäre: Ein Fahrzeug verbraucht bei zunehmender Masse und gleichbleibender Geschwindigkeit mehr Treibstoff. Wie genau kommt es zu diesem steigenden Verbrauch, bzw. wie verbraucht ein Verbrennungsmotor technisch mehr Treibstoff, ohne die Drehzahl anzupassen?
Zitat:
@Turbotobi28 schrieb am 12. Januar 2022 um 07:01:21 Uhr:
Es gibt zwar ein optimales Luft/Kraftstoff Verhältnis dennoch lässt sich dieses Verhältnis ein wenig ändern um so bei gleicher Drehzahl mehr Leistung zu erzeugen. Bei modernen Motoren mit Direkteinspritzung sogar recht erheblich da es mit der Einspritzung möglich ist die Kraftstoffmenge ganz erheblich zu beeinflussen, Z.b. im Magerbetrieb. Teilweise wird auch eine schlechtere Verbrennung mit schlechteren Abgaswerten in Kauf genommen.
Bei heutigen Motoren die ja inzwischen meistens über Turbolader verfügen kann man auch die Luftmenge bei konstanter Drehzahl erhöhen.
Okay, danke!
Das heißt, es gibt ein optimales Verhältnis von Luft / Treibstoff. Bei dieser Verbrennung werden am wenigsten Schadstoffe ausgestoßen, da ja der größte Teil verbrennt. Erhöht man nun das Verhältnis vom Treibstoff zur Luft, dann wird mein Gemisch fetter. Die Verbrennung ist nicht mehr Optimal, es wird jedoch trotzdem mehr Energie frei, da wir mehr Treibstoff verwendet haben?
Sprich, die aus der Verbrennung steigende Energie ist nicht proportional zu dem zusätzlich eingespritzten Treibstoff, da die Verbrennung nicht mehr ganz so effizient ist und der Schadstoffausstoß, bzw. unverbrannter Treibstoffausstoß, steigt.
Danke auch für die ganzen anderen Rückmeldungen.
Ich habe meine Frage glaube ich nicht optimal gestellt. Weshalb generell mehr Treibstoff notwendig ist, ist mir schon klar. Von irgendwo muss die Energie ja kommen. Mir ist es tatsächlich nur nicht ganz klar (gewesen) wie ein Motor technisch mehr verbrauchen kann, ohne die Drehzahl verändern zu können.
Zitat:
@finy007 schrieb am 12. Januar 2022 um 12:42:51 Uhr:
Das heißt, es gibt ein optimales Verhältnis von Luft / Treibstoff. Bei dieser Verbrennung werden am wenigsten Schadstoffe ausgestoßen, da ja der größte Teil verbrennt. Erhöht man nun das Verhältnis vom Treibstoff zur Luft, dann wird mein Gemisch fetter. Die Verbrennung ist nicht mehr Optimal, es wird jedoch trotzdem mehr Energie frei, da wir mehr Treibstoff verwendet haben?
Nein, es bleibt idR beim optimalen Gemisch, es gelangt nur durch die Drosselklappe (google das mal, die ist das zentrale Bauteil beim Ottomotor, um die Leistung zu regeln) weniger Gemisch in den Brennraum und somit wird weniger Energie umgesetzt.
Zitat:
@bljack [url=https://www.motor-talk.de/.../...rbrauch-bei-gleicher-geschwindigkeit-
Nein, es bleibt idR beim optimalen Gemisch, es gelangt nur durch die Drosselklappe (google das mal, die ist das zentrale Bauteil beim Ottomotor, um die Leistung zu regeln) weniger Gemisch in den Brennraum und somit wird weniger Energie umgesetzt.
Okay, danke. Dann habe ich aber noch ein Verständnisproblem:
Der Hubraum hat ja ein festes Volumen, sagen wir 1000ccm. Angenommen ein optimales Gemisch besteht zu 50/50 aus Treibstoff / Luft und demnach aus 500ccm Luft und 500ccm Treibstoff. Wenn ich nun einen der beiden Parameter anpasse, bzw. z.B. 700ccm Treibstoff verwende, dann habe ich doch nur noch "Platz" für 300ccm Luft, sprich eigentlich kann ich die Treibstoffzufuhr ja gar nicht erhöhen, da sich der Hubraum ja nicht ändert.
Oder habe ich nach der Verbrennung ein Vakuum und dementsprechend kann ich das so nicht betrachten?
im zylinder hast du ein vakuum wenn die klappe geschlossen ist. je nach öffnung der klappe hast du dann einen füllungsgrad von 0 bis 100% was dann quasi umgebungsluftdruck entspricht. das ist jetzt aber sehr grob vereinfacht gesagt.
Zitat:
@finy007 schrieb am 12. Januar 2022 um 12:59:32 Uhr:
Zitat:
@bljack [url=https://www.motor-talk.de/.../...rbrauch-bei-gleicher-geschwindigkeit-
Nein, es bleibt idR beim optimalen Gemisch, es gelangt nur durch die Drosselklappe (google das mal, die ist das zentrale Bauteil beim Ottomotor, um die Leistung zu regeln) weniger Gemisch in den Brennraum und somit wird weniger Energie umgesetzt.
Okay, danke. Dann habe ich aber noch ein Verständnisproblem:
Der Hubraum hat ja ein festes Volumen, sagen wir 1000ccm. Angenommen ein optimales Gemisch besteht zu 50/50 aus Treibstoff / Luft und demnach aus 500ccm Luft und 500ccm Treibstoff.
Ich weiß, dass Du nur ein Beispiel zum Verständnis stellst. Aber bei 50:50 wäre das Gemisch völlig überfettet und der Motor würde nicht laufen. Für 1 kg Benzin werden ca. 14,7 kg Luft benötigt, um es vollständig zu verbrennen. Das wird als Lambda = 1 bezeichnet. Entsprechend ist Lambda < 1 fett, Lambda > 1 mager.
Zitat:
Wenn ich nun einen der beiden Parameter anpasse, bzw. z.B. 700ccm Treibstoff verwende, dann habe ich doch nur noch "Platz" für 300ccm Luft, sprich eigentlich kann ich die Treibstoffzufuhr ja gar nicht erhöhen, da sich der Hubraum ja nicht ändert.
Bleiben wir mal der Einfachheit halber beim (Einzylinder-)Saugmotor ohne Aufladung und vernachlässigen Resonanzeffekte im Saugrohr. Dann hast Du Recht, dass maximal 1000 ccm Gemisch in den Zylinder passen. In diesem Zustand hättest Du das maximal mögliche Drehmoment (100 %). Jetzt kommt die Drosselklappe ins Spiel, die Du mit dem Fuß betätigst. Die hat ihren Namen daher, dass sie das einströmende Gemisch drosselt. Wenn Du also nicht gerade Vollgas gibst, dann strömt z. B. nur 50 % des maximal möglichen Gemisches in den Zylinder, obwohl der natürlich nach wie vor ein Volumen von 1000 ccm hat. Das funktioniert nur, weil jetzt der Druck im Zylinder niedriger ist. Das Gas nimmt also den gesamten Raum ein, aber bei niedrigerem Druck. Bei 50 % Gemisch entstehen auch nur ca. 50 % des Drehmomentes. So wird eine höhere oder niedrigere Last (Rollwiderstand) ausgeglichen.
Zitat:
Oder habe ich nach der Verbrennung ein Vakuum und dementsprechend kann ich das so nicht betrachten?
Nein, wenn dann eher vor der Verbrennung (siehe oben). Aber es ist kein Vakuum, sondern der Zylinderdruck ist niedriger als der Umgebungsdruck.
Zitat:
@finy007 schrieb am 12. Januar 2022 um 12:42:51 Uhr:
Es ist mir klar, dass mehr Energie notwendig ist, um eine höhere Masse auf einer festen Geschwindigkeit zu halten.
Nö, da ist eigentlich nicht mehr Energie nötig (für die Beschleunigung der Masse schon, aber nicht um sie auf gleichbleibender Geschwindigkeit zu halten).
Der Verbrauch eines KFZ bei konstanter Geschwindigkeit in der Ebene ist unabhängig von seiner Masse (den Kofferraum kannst also voll laden).
Allenfalls resultiert aus einer höheren Masse ein etwas höherer Rollwiderstand (Walkarbeit in den Reifen wird höher und Reibung in den Radlagern ebenfalls).
Der Energieaufwand ist nur nötig um gegen die vorhandenen Reibungskräfte (Windwiderstand, Rollwiderstand) zu arbeiten, ein im Weltall beschleuniger Gegenstand behält diese Geschwindigkeit endlos bei (solange keine Gravitationskräfte einwirken), dafür ist kein Energieeinsatz mehr nötig.
Gruß Metalhead
Zitat:
@metalhead79 schrieb am 12. Januar 2022 um 17:34:37 Uhr:
Zitat:
@finy007 schrieb am 12. Januar 2022 um 12:42:51 Uhr:
Es ist mir klar, dass mehr Energie notwendig ist, um eine höhere Masse auf einer festen Geschwindigkeit zu halten.
Nö, da ist eigentlich nicht mehr Energie nötig (für die Beschleunigung der Masse schon, aber nicht um sie auf gleichbleibender Geschwindigkeit zu halten).
Der Verbrauch eines KFZ bei konstanter Geschwindigkeit in der Ebene ist unabhängig von seiner Masse (den Kofferraum kannst also voll laden).
Allenfalls resultiert aus einer höheren Masse ein etwas höherer Rollwiderstand (Walkarbeit in den Reifen wird höher und Reibung in den Radlagern ebenfalls).
Der Energieaufwand ist nur nötig um gegen die vorhandenen Reibungskräfte (Windwiderstand, Rollwiderstand) zu arbeiten, ein im Weltall beschleuniger Gegenstand behält diese Geschwindigkeit endlos bei (solange keine Gravitationskräfte einwirken), dafür ist kein Energieeinsatz mehr nötig.
Gruß Metalhead
Aber was soll mir das jetzt sagen. Stimmt ja nicht, dass ein voller LKW genauso wenig Energie benötigt wie ein leerer LKW. Die Reibungskräfte spielen da schon eine entscheidende Rolle, unabhängig ob der LKW nun beschleunigt wird, oder eben seine Geschwindigkeit beibehält?
Klar, wenn Du Reibung vernachlässigst und die Abmessungen des Fahrzeugs nicht veränderst, dann verändert sich die notwendige Energie nicht, um das Fahrzeug auf gleicher Geschwindigkeit zu halten.
Nur es ging ja bei meiner Fragestellung um etwas ganz anderes, nämlich den steigenden Verbrauch. Mittlerweile wurde das aber ja schon sehr gut beantwortet
Das Problem hier ist, dass der TE einen sehr konstruierten Fall untersucht wissen möchte, und daher alle Standardantworten das Ziel mehr oder weniger weit verfehlen.
Ja, die Zuladung hat einen deutlichen Effekt auf den normalen Verbrauch --- aber der stammt weit überwiegend vom Mehrverbrauch beim Beschleunigen, den man beim Bremsen wieder vernichtet.
Hier soll aber nur die Fahrt mit unveränderter Geschwindigkeit betrachtet werden. Dann bleibt praktisch nur noch der relativ kleine Mehrverbrauch durch die Rollarbeit der Reifen übrig.
Und wenn diese unveränderte Geschwindigkeit dann auch auch noch in allen Versuchsdurchläufen die selbe ist, so dass dann wirklich alles immer gleich ist, außer der Masse, dann hat man eben nur noch diesen kleinen Mehrverbrauch.
Und wie "macht" man den? Na ganz einfach: dadurch, dass man ein kleines bisschen mehr Gas geben muss. Was dadurch genau passiert, hängt vom technischen Stand des Motors ab, aber letztlich kommt mehr Luft und mehr Benzin in den Brennraum.
Zitat:
@finy007 schrieb am 12. Januar 2022 um 17:54:44 Uhr:
Mittlerweile wurde das aber ja schon sehr gut beantwortet
Okay, Deine Frage zielte auf das Drehmoment ab, welches der Motor trotz konstanter Drehzahl variieren kann. Das war es doch, richtig?
Letztendlich hat Deine Eingangsfrage es schon implizit beantwortet: Der Kraftstoffverbrauch koppelt den erhöhten Energiebedarf ein. Und den hast Du bei konstanter Geschwindigkeit, wenn der Fahrwiderstand sich erhöht, z.B. durch Gegenwind, Bergauffahrt, nasse oder schneematschige Fahrbahn.
Je mehr Kraftstoff pro Arbeitstakt vollständig verbrannt wird, desto mehr Druck entsteht oberhalb des Kolbens, der als Druckkraft zusammen mit der KW-Kröpfung als Hebel das Drehmoment der KW erzeugt. Damit lässt sich die Drehmomentabgabe mit guter Näherung in vereinfachter Form beschreiben. Und je häufiger das pro Zeiteinheit geschieht, desto größer ist die Leistung.
Zitat:
@Timmerings Jan schrieb am 12. Januar 2022 um 18:14:50 Uhr:
Hier soll aber nur die Fahrt mit unveränderter Geschwindigkeit betrachtet werden. Dann bleibt praktisch nur noch der relativ kleine Mehrverbrauch durch die Rollarbeit der Reifen übrig.
Ich bin mal kätzerisch: Die meiste Energie dürfte durch die Walgarbeit in die Reifen gehen was auch die Haupterwärmungsquelle bei Reifen ist.
Hätte das Farzeug fast ideale Räder (quasi wie Eisenbahn) wäre der Verbauch bei gleicher Geschwindigkeit und 100%iger Ebene gleich. Färht man eine Steigung hoch steigt der vebrauch an weil in der selben Zeit mehr Masse auf die neue Lageenergie gebracht werden muß.
Das Problem kann man ganz simpel mit der Formel E = m * c² beschreiben.
Zitat:
@Astradruide schrieb am 12. Januar 2022 um 18:40:20 Uhr:
Ich bin mal kätzerisch: Die meiste Energie dürfte durch die Walgarbeit in die Reifen gehen was auch die Haupterwärmungsquelle bei Reifen ist.
Richtig und da kann man mit höherem Luftdruck entgegenwirken.
Die erhöhte Reibung an den Radlagern fällt nur ins Gewicht wenn man den Sprit mit der Pipette abmisst.
Ich bleibe dabei, der Spritverbrauch bei konstanter Fahrt ändert sich nicht bzw. nur unmerklich.
Wenn's Bergauf geht, stimmt das natürlich nicht mehr, denn da wirkt man ja der Erdbeschleunigung entgegen (dafür braucht man bergab weniger).
Gruß Metalhead
Zitat:
@Timbow7777 schrieb am 12. Januar 2022 um 19:39:46 Uhr:
Das Problem kann man ganz simpel mit der Formel E = m * c² beschreiben.
Woraus sich ableitet: Nacht ist kälter als draussen.