Wie viel Luft verbraucht (m)ein Motor?
Liebe Freunde,
Ich habe mir letzthin mal überlegt, wie viel Luft eigentlich ein Motor so verbraucht/verbrennt.
Dabei bin ich auf zwei Ansätze gestossen, die aber sehr unterschiedliche Werte ergeben.
Könnt ihr mir hier mal weiterhelfen und den Knopf in meinem Kopf lösen?
Also ganz konkrete Werte:
Motor: 4-Takt, 4-Zylinder mit 1261ccm
Fahrstrecke: 210km
Benzinverbrauch (laut Zapfsäule): 11.35 Liter
Mittlere Drehzahl: 2500U/min
Fahrzeit: 4 Stunden.
Nun habe ich einmal mit dem Verbrennungsluftverhältnis gerechnet:
1kg Benzin braucht bei Lambda=1 stöchiometrisch gerechnet 14.7kg Luft zur Verbrennung.
Benzin hat eine Dichte von 0.75kg/l, also sind die Verbrannten 11.35 Liter = 8.5125kg
Diese 8.5125kg haben also 125.13375 kg Luft benötigt, um verbrannt zu werden.
Luft hat eine Dichte von 1.224 kg/m3 bei 20°C (was es auch etwa war).
Die 125.13375kg Luft würden also 102.233m3 oder 102'233 Litern entsprechend.
Wenn ich aber mit dem Hubraum und der Drehzahl rechne:
4 Stunden = 240 Minuten * 2500 U/min = 600'000 U der Kurbelwelle.
Weil 4 Takt: Geteilt durch 2. Also 300'000 mal den Motor komplett geflutet.
300'000 x 1261ccm = 378'300 Liter.
Wäre es eine Abweichung von von mir aus 25% oder so würde ich sagen okay, was solls.
Aber hier geht es um den Faktor 3!
Das Benzin läuft ja nicht unverbrannt hinten aus dem Auspuff, also muss es vollständig verbrannt worden sein und die Menge Sauerstoff und somit die Menge Luft, die dazu nötig ist, kann man berechnen (eben 14.7kg Luft/kg Benzin). Und andererseits hat der Motor auch so oft gedreht, wie er halt gedreht hat und wurde auch so oft geflutet. Auch das lässt sich nicht wegdiskutieren.
Ich wäre froh, wenn mir jemand erklären könnte, warum es zu so einem grossen Unterschied in den beiden Rechnungen kommt, resp. wie es denn richtig wäre.
Vielen Dank und Gruss
Christoph
Beste Antwort im Thema
Quatsch, ist doch ganz einfach: Deine Überlegung mit dem Hubraum basiert auf der Annahme, dass die Zylinder jeweils komplett mit Luft bei Umgebungsdruck (also ohne Aufladung) gefüllt werden. Das würde aber bedeuten, dass der Motor permanent auf Volllast laufen würde (Drosselklappe komplett geöffnet). Das wird bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 52,5 km/h sicherlich nicht der Fall sein.
61 Antworten
Zitat:
Laut Anarchie-99 gibt es aber wohl noch einen Weg über die Leistung. Hier habe ich gefragt, ob er die Leistung einfach in Benzin-Brennwert umgerechnet und so wieder auf den Verbrauch gekommen ist, oder ob er noch einen anderen Weg weiss.
G/sek* 1,2= HP
Zig Leute waren mit ihren Fahrzeugen bisher auf dem Prüfstand.
Wenn der Motor soweit richtig eingestellt ist hat man festgestellt, dass 0,75g/sek Luftmasse ein 1ps bereitstellen, egal ob welch Marke, typ oder mit oder ohne Aufladung.
Zitat:
@Anarchie-99 schrieb am 15. April 2020 um 16:52:39 Uhr:
Zitat:
Laut Anarchie-99 gibt es aber wohl noch einen Weg über die Leistung. Hier habe ich gefragt, ob er die Leistung einfach in Benzin-Brennwert umgerechnet und so wieder auf den Verbrauch gekommen ist, oder ob er noch einen anderen Weg weiss.
G/sek* 1,2= HP
Zig Leute waren mit ihren Fahrzeugen bisher auf dem Prüfstand.
Wenn der Motor soweit richtig eingestellt ist hat man festgestellt, dass 0,75g/sek Luftmasse ein 1ps bereitstellen, egal ob welch Marke, typ oder mit oder ohne Aufladung.
Das kann ja nicht hinhauen, denn dann wäre der mechanische Wirkungsgrad in dem Betriebspunkt immer gleich.
Deine Werte würden auf folgende Konstanten hinauslaufen:
1 PS mechanisch = 735 W mechanische Leistung
0,75 g Luft und 0,05 g Kraftstoff ergeben mit 42 MJ/kg Superbenzin: 2142 J/s = Watt thermisch verwertbare Leistung
Also: in deinem Fall haben alle Otto-Motoren in allen dort betrachteten Betriebspunkten einen mechanischen Wirkungsgrad von 34,3% oder umgerechnet einen spezifischen Verbrauch von 251 g Superbenzin / kWh mechanische Arbeit. Und das haut einfach nicht hin, dass das irgendwie so konstant ist.
Hier mal ein Beispiel:
https://www.motor-talk.de/.../muscheldiagramm-i208536084.html
250 g/kWh nimmt da für diesen Motor einen gewissen Bereich ein, aber man sieht auch, wie sich das ringsrum teils deutlich (!) verändert.
Legt man jetzt mehrere Muscheldiagramme von verschiedenen Otto-Motoren mal nebeneinander, sieht man eine irgendwie gewisse Einheitlichkeit mit Skalen im Bereich von 220 (gute Bereiche) bis ca 1000 g/kWh (schlechte Bereiche), aber damit auch gleichzeitig die großen Streuungen in der Verteilung.
Und dazu kommt "untenrum" die Lastabhängigkeit. 2500 RPM sagt nichts über die Last aus, die Last wiederum sagt eine Menge aus, welche Wirkungsgrade überhaupt "drin" sind.
Zitat:
@GaryK schrieb am 15. April 2020 um 21:13:09 Uhr:
Und dazu kommt "untenrum" die Lastabhängigkeit. 2500 RPM sagt nichts über die Last aus, die Last wiederum sagt eine Menge aus, welche Wirkungsgrade überhaupt "drin" sind.
Das Thema Last hatten wir schon sehr früh.
Und im Thema "Muscheldiagramme" ist bestimmt auch die Last mit drin.
So über die Druckverhältnisse....
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Klar. Im Muscheldiagramm:
x-Achse => Motordrehzahl
y-Achse => Last, die kann man auch als Mitteldruck oder Drehmoment (Nm) ausdrücken, im Prinzip ist das eine Größe in Wechselwirkung mit der Gaspedalstellung bei einer bestimmten Drehzahl.
Zitat:
Das kann ja nicht hinhauen, denn dann wäre der mechanische Wirkungsgrad in dem Betriebspunkt immer gleich.
Es gibt eben Menschen die blättern den ganzen tag in einem Fachbuch und dann gibt es Menschen die nehmen ihre Fahrzeuge und spannen sie auf einen Prüfstand und messen Luftmasse und Leistung.
Welche Daten mehr Beachtung finden bleibt jedem selbst überlassen, in der Regel ist das zusammentreffen von beiden Parteien immer mit Spannungen verbunden. Der Praktiker gibt seine Prüfstanderfahrungen wieder und der Theoretiker schlägt sein Fachbuch auf.
Die Formel kommt von realen Prüfstandläufen daher wird immer vom Betriebszustand "Volllast" ausgegangen.
So wurde ein Turbomotor mit 890g/sek Luftmasse gemessen, dies ergibt rechnerisch 1068ps.
Das Ergebnis des Superflow Allradprüfstand war eine Leistung von 1070ps. Gerechnet wurde mit Faktor 1,2.
Ein vr6 Sauger wurde Gemessen, 128g/sek nach der Formel 168,9 ps.
Der Prüfstandbericht danach 169,1ps.
Gerechnet wurde mit Faktor 1,32
Derzeit ist man sich nur noch nicht ganz klar ob mit 1,2, oder 1,32 gemessen wird. Das hat auch mit dem Lambdawert bei Volllast zu tun. Magere Abstimmungen eher in die Richtung 1,32 während fettere Abstimmungen in die Richtung 1,2 bewegen.
Zitat:
Die Formel kommt von realen Prüfstandläufen daher wird immer vom Betriebszustand "Volllast" ausgegangen.
Es hätte sich gelohnt, das gleich dazu zu schreiben. Auch, dass es vermutlich nur um Otto-Motoren geht.
Und dann: Volllast legt auch im Muscheldiagramm nur fest, dass bei einer bestimmten Motordrehzahl das Gaspedal ganz durchgedrückt ist. Im Muscheldiagramm geht man damit im Prinzip an der oberen Kante entlang (der dicken roten Linie im Bildbeispiel oben), z.B. von 800 RPM bis 6500 RPM. Aber entlang dieser roten Kante ist der Wert g/kWh immer noch variabel. Er ist immer noch nicht konstant. Selbst für den gleichen Motor.
Für das Bildbeispiel oben hat man dann immer noch Werte von grob 253 - 330 g Superbenzin pro kWh mechanische Arbeit, je nach Motor-Drehzahl.
Was du aber vielleicht meinst (deine Beispiele deuten es an), ist nicht Voll-Last (mit der Linie im Muscheldiagramm), sondern maximale Motorleistung, also nur noch 1 Betriebspunkt im Muscheldiagramm. Dann hat man für einen Motor einen festen Wert. Aber für unterschiedliche Motoren auch unterschiedliche Werte.
Vorher war noch deine Aussage:
G/sek* 1,2= HP - und das egal für welchen Motor.
Das widerspricht sich ja auch schon mit 0,75 g/s =>1 PS.
Denn 1/0,75 = 4/3 also = 1,333.
Dann hast du da ja schon zwei Werte drin: mal 1,2 und mal 1,33.
Der Kehrwert von 1,2 wäre sonst 0,833.
Du hast da eher so grobe Faustformeln für einzelne Arbeitspunkte genannt. Das hätte besser rauskommen können. Und mit deinen 2 Beispielen hast du eben auch nur 2 Stichproben. Und klar: Lambda kann sich bei Volllast ändern, auch durch die gängige Volllastanreicherung. Wenn du nun deine Faktoren anpasst, dann bestätigst du ja selbst, dass die Motoren selbst in ihrem Betriebspunkt maximaler Leistung unterschiedlich sind und die Faustformel eher so approximativ zu sehen ist.
Mit dem realen Fahren im Verkehr bei Teilllast, worüber sich der Fadenersteller aber Gedanken gemacht hat, haben die Arbeitspunkte deiner Prüfstandsversuche aber nur wenig zu tun. Insofern passte es alles nicht so richtig zusammen.
Ein Punkt, der auch noch unklar gelassen wurde: geht es um PS an der Kurbellwelle des Motors oder PS am Rad?
Ein Leistungsprüfstand, der ganze Fahrzeuge vermisst, der misst ja gängig die mechanische Leistung, die wirklich an den Rädern ankommt. Aber ein daraus abgeleitetes Diagramm für den Motor soll in der Regel eine Motorleistung ab Kurbelwelle ausweisen. Mit den verschiedenen Antrieben zwischen Motor und Rad (verschiedene Typen von Getrieben und dann Achsverteilungen) und ihren individuellen Wirkungsgraden bekommt man aber auch da eine Streuung rein.
Ein Motorenprüfstand hingegen misst die Leistung direkt an der Kurbelwelle.
Du kannst Diesel übrigens passabel schätzen - deren minimales Lambda liegt irgendwo wegen der Rauch/Rußgrenze bei etwa 1.25, Benziner halt etwa 0.8 wenn die deutlich anfetten. Damit kennst du in ETWA die maximale Luftmasse eines Diesels bei Vollgas.
Wie willst das beim Diesel, der mit Luftüberschuss läuft, festlegen? Du kannst die Luft, die an der Verbrennung teilnimmt so schätzen, aber den Rest, den der Turbo reindrückt....nur durch messen VOR dem reinpressen :-)
Nahe Volllast ist ein Diesel etwa bei 1.25 bis 1.3 und die haben auch alle LMM.
Freilich haben Diesel schon länger LMMs, brauchtes für die DME ja- wurde auch mit keinem Wort bestritten geschweige denn überhaupt erwähnt.
Gut, da hast du war - das übermagere Lambda beschreibt ja im Prinzip den Luftüberschuss. So beschreibt der LMM eigentlich genau die Menge der zugeführten - aber nicht zwingend an der Verbrennung teilgenommenen Luft.
Beim Diesel geht die Luft auch zwingend in die Verbrennung. Eben mit Lambda > 1.
Bei Lambda über 1 , also mager, verbrennt alles an Kraftstoff, aber wenn der weg ist, bleibt Luft über die nicht an der Verbrennung teilnimmt. Womit auch?
Daher kommt ja die Sondenanzeige Lambda >1 - weil eben im Abgas Sauerstoffüberschuss herrscht.
Versteh da das Problem grad nicht.....
Die Fragestellung schränkt sich nicht ausschließlich auf die Verbrennung ein, sondern lässt allgemein den Verbrauch zu. Dabei geht es dann nur darum, wie viel Luft rein geht.
Zitat:
@rchr
Wenn ich aber mit dem Hubraum und der Drehzahl rechne:
4 Stunden = 240 Minuten * 2500 U/min = 600'000 U der Kurbelwelle.
Weil 4 Takt: Geteilt durch 2. Also 300'000 mal den Motor komplett geflutet.
300'000 x 1261ccm = 378'300 Liter.
Warum durch zwei? Der Ansaugungstakt dauert nur eine halbe Umdrehung und deshalb muss hier durch vier geteilt werden und nicht durch zwei. Erste großer Rechenfehler.
Zweiter Fehler der Liefergrad, der im Teillastbereich bei 0,5 - 0,7 liegt und schon passt die Rechnung.