Motorentechnik

Einflussnahme auf die Leistung

Die Formel zeigt uns auf, dass die Motorleistung durch verschiedene Faktoren beeinflusst wird. In den folgenden Betrachtungen wird stets von einem stöchiometrischen Gemischverhältnis ausgegangen.

Gemischheizwert Hgem

Der Gemischheizwert wird durch die Treibstoffart vorgegeben. Stoffe wie Methan, Propan oder Methanol weichen vom Wert her von Benzin ab. Die Unterschiede zwischen Normal- und Superbenzin sind jedoch bedeutungslos: die Klopffestigkeit ist hier das Unterscheidungskriterium.

Treibstoffart:
Einen leistungsfähigeren Motor können wir also über Hgem nur durch Einsatz einer anderen Treibstoffart konzipieren. Für Renn- und Rekordfahrzeuge gibt es spezielle Kraftstoffe, die jedoch für Otto-Normalverbraucher nicht zugänglich oder gänzlich unerschwinglich sind.
Hgem liegt bei alternativen Treibstoffen (Gas, Alkohol) durchwegs unter dem von Benzin. Insbesondere bei Wasserstoff (H2) liegt er 14% niedriger.

Treibstoffmenge:
Eine Erhöhung der Kraftstoffmenge bedingt auch eine Erhöhung der Luftmenge damit weiterhin genug Sauerstoff zur vollständigen Verbrennung des Treibstoffs zur Verfügung steht. Dies können wir nur über Faktoren wie Vh, k , λ1 oder dl, dkr erreichen (siehe weiter unten). Einfach mehr Kraftstoff einzuspritzen bringt keine Leistungserhöhung.
In der Praxis bewirkt ein Lambda-Verhältnis von 0,9 - 0,95 aber eine Kühlung des Frischgases, wodurch dessen Dichte ansteigt.

Dichte dl, dkr

Je kälter die Luft, desto mehr Treibstoff kann in die dichte Luft mit höherem Sauerstoffgehalt eingespritzt werden. Nicht ohne Grund werden Turbo-Motoren heutzutage stets mit einem Ladeluftkühler betrieben. Die durch Reibung u. Kompression im Verdichter aufgeheizte Luft (ca. 100 °C) wird vor Einleitung in die Zylinder heruntergekühlt. Desweiteren bergen große Querschnitte im Ansaugtrakt das Potential die Luftreibung zu reduzieren. Der Ansaugstutzen sollte sich idealerweise vor dem Motor im Fahrtwind befinden um nicht durch den Motor aufgeheizte Umgebungsluft anzusaugen.

Volumen Vh, k

Eine Erhöhung der Hub- und Kompressionsvolumens führt formelmäßig zu einer linearen Leistungssteigerung.

Prozesswirkungsgrad ηpr

Der Prozesswirkungsgrad wird hauptsächlich durch folgende Faktoren beeinflusst:

• Verdichtungsverhältnis
• Oberflächen-Volumenverhältnis des Brennraums bzw. Zylinders
• Verbrennungsgeschwindigkeit

Die Erhöhung der Verdichtung wirkt sich positiv auf den Prozesswirkungsgrad aus. Sie kann in Abhängigkeit von:

• der Klopffestigkeit des Kraftstoffs (ROZ) erfolgen
• der Temperaturen im Brennraum (Kompressionsendtemperatur, Wandtemperatur etc.) erfolgen

Das Oberflächen-Volumenverhältnis lässt sich beeinflussen durch:

• Auslegung als Kurz- oder Langhuber

Die Verbrennungsgeschwindigkeit lässt sich beeinflussen durch:

• Geometrie des Brennraums
• Lage der Zündkerze

Günstig wirkt sich ein schnelles Durchbrennen des Gemischs aus. Eine kompakte Brennraumform mit mittig angeordneter Zündkerze und allseitig kurzen Flammwegen zu den Brennraumwänden ist wünschenswert. 4-Ventiler mit dachförmigen Brennräumen ergeben hier gute Voraussetzungen.

Aus thermodynamischen Gründen ist der Prozesswirkungsgrad bei Hubräumen von 250 cm³ bis 400 cm³ je Zylinder am größten.

Luftliefergrad λ1

Der Luftliefergrad gibt ausgehend vom theoretischen Optimum (Hubvolumen + Kompressionsvolumen) an wieviel Gasvolumen nach Abschluss des Ladungsvorgang tatsächlich im Kompressionsraum zur Verfügung steht. Hierbei sind auch evtl. zurückbleibende Restgasmengen im Zylinder sowie evtl. Verluste an Frischgas durch Überströmung in den Abgastrakt zu berücksichtigen.

Im Luftliefergrad sind folgende Verluste beim Ladungswechsel berücksichtigt:

• Drosselung der Frischgasmenge durch Strömungswiderstände und Reibung im Ansaugtrakt (z.B. Ventile und schroffe Querschnittsänderungen)
• Frischgasverluste durch Überströmung in den Abgastrakt (z.B. ungünstige Ventilsteuerzeiten)
• verbleibende Abgasmengen im Verbrennungsraum

Um einen hohen Luftliefergrad zu erhalten, müssen diese Verluste also minimiert werden. Dies kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

• wenig gekrümmte Saugleitungen mit gleichmäßigem, ausreichend großem Querschnitt
• größtmögliche Ventildurchmesser
• optimierte Ventilsteuerzeiten, großer Ventilhub und füllige Öffnungscharakteristik
• strömungsgünstige Abgasleitungen und widerstandarme Schalldämpfer

Der Luftliefergrad ist dabei keineswegs eine Konstante. Er verändert sich in Abhängigkeit von Drehzahl und Last (Drosselklappenstellung). Diese Abhängigkeit ergibt sich aus den Ventilsteuerzeiten und den gasdynamischen Vorgängen in den Saug- und Abgasleitungen (insbesondere Resonanzen).

Luftliefergrad als Funktion der Motodrehzahl

Motordrehzahl n

Die Leistung steigt formelmäßig linear mit der Motordrehzahl. Gleichzeitig erhöht sich jedoch auch die Reibleistung. In wie weit eine weitere Erhöhung der Motordrehzahl zu einer Leistungssteigerung führt, hängt maßgeblich davon ab wie stark es gelingt den auftretenden Liefergradabfall zu begrenzen.

Reibleistung Pr

Die Reibleistung steigt linear mit der Drehzahl. Außerdem ist sie umso höher je mehr Reibfläche vorhanden ist. Mehrzylindrige Motoren sind hier also im Nachteil. Höchste Leistungen erfordern aber leichte Bauteile im Kurbel- und Ventiltrieb. Das zwingt zur mehrzylindrigen Bauweise die aber durch die höhere Anzahl bewegter Teile mehr Reibung mit sich bringt.

© 2005 by M. Bosch