P2.2, 4_Motorcharakteristik

• Volllastkennlinie: Messwerte bei voll geöffneter Drosselklappe. Sie zeigt max. Drehmoment, max. Leistung und minimalen Verbrauch.

• Teillastkennlinie: Messungen bei Teilöffnung der Drosselklappe. Diese sind praxisrelevant, da der Motor im Alltag selten Volllast fährt.

• liegt zwischen maximalem Drehmoment und maximaler Leistung.
• Dort reagiert der Motor besonders gut auf Laständerungen und bietet hohe Zugkraft ohne Schaltbedarf
• Ein breiter elastischer Bereich erleichtert die Getriebeabstimmung und verbessert die Fahrbarkeit

• Motorenprüfstand: Ausgebauter Motor, sehr genau, teuer, liefert Nutzleistung.

• Rollenprüfstand: Fahrzeug komplett, misst Radleistung. Mit Verlusten lässt sich Motorleistung berechnen.

• Syntec-Gerät: Beschleunigung am eingebauten Motor, günstig, ideal für Vergleiche, aber weniger geeignet bei Turbomotoren.

• Drosselklappenstellung

• Größe und Form der Einlass- und Auslasskanäle

• Ventilzahl und Steuerzeiten

• Saugrohrlänge/Resonanz

• Aufladung und Ladeluftkühlung

• Lufttemperatur, Druck, Luftdichte

• Abgasanlage (Gegen- bzw. Resonanzdruck)

Der Liefergrad beschreibt das Verhältnis zwischen tatsächlich angesaugter Luftmasse und der theoretisch möglichen Luftmasse im Zylinder.

• Saugbenziner: 70–110 % (110% nur mit Schaltsaugrohr)

• Turbobenziner: 120–200 %

• Saugdiesel: 80–100 %

• Turbodiesel: 150–220 %

• Turbo-/Kompressoraufladung

• Ladeluftkühlung

• große Kanalquerschnitte, 3–5 Ventile

• variable Ventilsteuerung

• optimierte Saugrohrlängen (Resonanz)

• strömungsgünstige Ansaug- und Abgasanlagen

• höheres Verdichtungsverhältnis

• Geringe Strömungsgeschwindigkeit → schlechte Füllung

• Wenig Resonanzeffekte im Saugrohr

• Hohe Dichtheitsverluste → mehr Blow-by

• Hohe Wärmeverluste, da mehr Zeit zwischen den Verbrennungen

• Wärmeverluste steigen, da Brennraumoberfläche im Verhältnis zur Zeit größer wird

• Ventilöffnungszeiten reichen nicht mehr → unvollständige Zylinderfüllung

• Vollastanreicherung zur Innenkühlung (fettes Gemisch)

• Verbrennung wird durch frühes Auslassventilöffnen abgebrochen (Zeitfaktor)

Sie sorgt für ein fetteres Luft/Kraftstoff-Gemisch, um den Brennraum innen zu kühlen und Bauteile wie Kolben, Ventile und Kats vor Überhitzung zu schützen. Besonders bei hohen Drehzahlen notwendig.

Formel:
P = (M × n) / 9550

• Drehmoment ist die Drehkraft an der Kurbelwelle.

• Leistung ergibt sich aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl.

• Max. Leistung liegt immer > max. Drehmoment, da sie mit der Drehzahl steigt.

Der mechanische Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen indizierter Arbeit (im Zylinder) und der an der Kurbelwelle verfügbaren effektiven Arbeit.
Er berücksichtigt Reibungsverluste durch:

• Kolben/Ringe (50 %)

• Lager (20 %)

• Öl-/Wasserpumpen

• Ventiltrieb

• Einspritzung

• evtl. mechanischer Lader

• Höheres Verdichtungsverhältnis

• Hohes Luftüberschussverhältnis

• Gleichdruckverbrennung → bessere Ausnutzung des Kraftstoffs
  → geringere Wärmeverluste, bessere Energieausnutzung.

Ein Muscheldiagramm zeigt den spezifischen Verbrauch in Linien gleicher g/kWh über Drehzahl und Drehmoment.
Optimaler Bereich:

• Hohe Last (~80 % Drosselklappe)

• Niedrige bis mittlere Drehzahl (~30 % der Maximaldrehzahl)
  Dort ist der Motor am effizientesten.

• Eine höhere (längere) Übersetzung senkt die Motordrehzahl → geringerer Verbrauch.
• Eine zu niedrige Übersetzung (hohe Drehzahl) erhöht den Verbrauch.
• Ziel: Motor in den verbrauchsgünstigen Bereich des Muscheldiagramms bringen.

Verdichtungsraum Vc:
Kleinster verbleibender Verbrennungsraum bei Kolben in OT.

Hubraum Vh:
Vom Kolben zwischen OT und UT verdrängtes Volumen.

Gesamthubraum VH:
Summe der Hubräume aller Zylinder.

Verdichtungsverhältnis ε:
Gibt an, wie stark die angesaugte Luft bzw. das Gemisch verdichtet wird.

• Weil die Verbrennungsenergie besser ausgenutzt wird und sich die Verbrennungsgase während des Arbeitstaktes über einen grösseren Bereich entspannen können.
• Dadurch geht weniger Energie ungenutzt mit dem Abgas verloren.

• Mit zunehmender Verdichtung steigen:
  • Verdichtungsenddruck
  • Verdichtungsendtemperatur
• Dadurch steigt beim Ottomotor insbesondere die Gefahr unerwünschter Selbstzündung beziehungsweise klopfender Verbrennung.
• Bei aufgeladenen Motoren ist deshalb das geometrische Verdichtungsverhältnis häufig geringer.

• Das Druck-Volumen-Diagramm zeigt:
  • Zylinderdruck p in Abhängigkeit vom Zylindervolumen V.
• Damit lässt sich der reale Arbeitsprozess darstellen:
  • Kompression
  • Verbrennung
  • Expansion
  • Gaswechsel
• Die eingeschlossene Fläche entspricht der erzeugten Arbeit.

• Die Gaswechselarbeit entsteht beim:
  • Ansaugen
  • Ausschieben der Abgase.
• Beim Saugmotor muss der Kolben beim Ansaugen gegen einen Unterdruck und beim Ausschieben gegen einen Abgasgegendruck arbeiten.
• Diese Arbeit muss der Motor selbst aufbringen.
• Deshalb gilt:
  • Negative Gaswechselarbeit = Verlustarbeit
  • Sie wird von der erzeugten Nutzarbeit abgezogen.

• Durch den Ladedruck kann während des Ansaugens bereits ein positiver Druck im Zylinder vorhanden sein.
• Die verdichtete Ladeluft unterstützt den Kolben auf seinem Weg Richtung UT. Dadurch kann die Gaswechselarbeit positiv werden und zur Gesamtarbeit beitragen.

• Die Nutzarbeitsfläche des p-V-Diagramms wird gedanklich in ein Rechteck gleicher Fläche umgewandelt.
• Die Höhe dieses Rechtecks entspricht dem:
  • mittleren indizierten Kolbendruck pmi.
• Er beschreibt die erzeugte Arbeit bezogen auf den Hubraum.
• Ein hoher Mitteldruck bedeutet:
  • hohe spezifische Arbeit
  • hohes spezifisches Drehmoment.

Es steigen:

• mechanische Motorbelastung
• thermische Motorbelastung.

Deshalb können Mitteldruck und damit Drehmoment nicht beliebig gesteigert werden.

• Beim dargestellten Miller-Prozess wird das Einlassventil vor UT geschlossen.
• Danach bewegt sich der Kolben noch weiter Richtung UT, obwohl keine weitere Luft einströmt.
• Dadurch:
  • entsteht Unterdruck im Zylinder
  • Druck und Temperatur der folgenden Verdichtung sinken
  • die erforderliche Verdichtungsarbeit wird reduziert
  • Gaswechselverluste werden kleiner
  • der Wirkungsgrad kann steigen.

• Beim Atkinson-Prozess wird das Einlassventil erst nach UT geschlossen.
• Während der Kolben bereits wieder nach oben läuft, wird ein Teil der angesaugten Luft zurück in den Ansaugtrakt gedrückt.
• Dadurch:
  • sinkt die effektive Verdichtung
  • wird weniger Verdichtungsarbeit benötigt
  • verbessert sich der Wirkungsgrad.
• Nachteil:
  • Die effektive Zylinderfüllung sinkt.
  • Dadurch erzeugt der Motor weniger:
    • Drehmoment
    • Leistung.

• Durch gezielte Veränderung von:
  • Ventilhub
  • Öffnungsdauer
  • Öffnungs- und Schliesszeitpunkt
• kann die angesaugte Luftmenge direkt über die Einlassventile geregelt werden.
• Dadurch muss die Drosselklappe insbesondere im Teillastbetrieb weniger stark drosseln.
• Folge:
  • weniger Unterdruck → weniger Pump-/Gaswechselarbeit → mehr Nutzarbeit → besserer Wirkungsgrad.
  • Das wird im Dossier am Beispiel BMW Valvetronic/VANOS dargestellt.

• Die grosse obere Fläche entsteht während Kompression, Verbrennung und Expansion.
• Die im Uhrzeigersinn umlaufene Nettofläche entspricht der positiven Nutzarbeit.
• Die kleine Schleife im Bereich des Gaswechsels stellt beim Saugmotor normalerweise negative Pump- beziehungsweise Gaswechselarbeit dar.
• Diese Verlustfläche muss von der Nutzarbeit abgezogen werden.
• Bei einem aufgeladenen Motor kann die Gaswechselarbeit aufgrund des positiven Ladedrucks teilweise oder vollständig positiv werden

Die Kolbengeschwindigkeit ist nicht konstant.

• In OT beträgt sie 0 m/s.
• Danach wird der Kolben stark beschleunigt.
• Zwischen OT und UT erreicht er seine maximale Geschwindigkeit.
• Danach wird er wieder verzögert.
• In UT beträgt die Geschwindigkeit erneut 0 m/s.

Wichtig: Die maximale Kolbengeschwindigkeit liegt nicht exakt bei 90° KW, weil die Pleuelschrägstellung die Kolbenkinematik beeinflusst.

• Bei 90° Kurbelwinkel nach OT befindet sich der Kolben nicht exakt auf halbem Hub, sondern bereits etwas weiter Richtung UT.
• Weil zusätzlich zur Kurbelbewegung die Schrägstellung des Pleuels berücksichtigt werden muss.
• Dadurch besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Kurbelwinkel und Kolbenweg.
• Umgekehrt befindet sich der Kolben bei 90° vor OT bzw. 270° KW entsprechend weniger als den halben Hub von UT entfernt.
• Das erklärt auch, weshalb der Kolben im oberen Bereich schneller unterwegs ist als im entsprechenden unteren Bereich – ein Zusammenhang, der später für die Massenkräfte 2. Ordnung entscheidend wird.

• Der Kröpfungswinkel ist der Winkel zwischen zwei Kurbelzapfen.
• Bei Reihen-Viertaktmotoren richtet sich die Kurbelwellenkröpfung nach dem erforderlichen Zündabstand.
• Der gleichmässige Zündabstand berechnet sich:

• Bei V-Motoren muss zusätzlich zum Zündabstand der Blockwinkel berücksichtigt werden.
  • Zündwechsel von links nach rechts (Wechsel oberhalb des Motors):
    • Kröpfungswinkel = Zündwinkel − Blockwinkel 
• Zündwechsel von rechts nach links (Wechsel unterhalb des Motors):
  • Kröpfungswinkel = Zündwinkel + Blockwinkel 
• Zwei Zündungen innerhalb derselben Zylinderbank:
  • Kröpfungswinkel = Zündwinkel 

• Massenausgleich:
  • Ausgleich konstruktiv bedingter Massenkräfte und Unwuchten eines Motors.
• Auswuchten:
  • Ausgleich fertigungsbedingter Unwuchten eines Bauteils.
• Man unterscheidet beim Kurbeltrieb insbesondere:
  • rotierende Massenkräfte
  • oszillierende Massenkräfte.
  • Rotierende Massenkräfte lassen sich durch entsprechende Gegengewichte vergleichsweise gut ausgleichen.

• Der Kolben bewegt sich nicht gleichförmig.
• Aufgrund der Pleuelschrägstellung sind Geschwindigkeit und Beschleunigung im oberen Kolbenbereich anders als im unteren.
• Das Kurbelwellen-Gegengewicht dreht dagegen gleichförmig und erzeugt bei gleicher Drehzahl eine gleichbleibende Fliehkraft.
• Ein auf 100 % Kolbenmassenausgleich ausgelegtes Gegengewicht würde deshalb in anderen Kurbelstellungen neue unerwünschte Querkräfte erzeugen.
• Bei normalen Motoren werden die oszillierenden Massenkräfte 1. Ordnung deshalb über die Kurbelwellengegengewichte nur ungefähr zu 50 % ausgeglichen.

• Aufgrund der Pleuelschrägstellung ist die Kolbenbewegung nicht rein sinusförmig. Daraus entstehen zusätzliche oszillierende Kräfte, die als Massenkräfte 2. Ordnung bezeichnet werden.
• Für deren Ausgleich können zwei:
  • gegenläufige
  • mit doppelter Kurbelwellendrehzahl
  • laufende Ausgleichswellen verwendet werden.
• Durch die Gegenläufigkeit heben sich unerwünschte Querkräfte gegenseitig auf, während die gewünschte vertikale Gegenkraft erhalten bleibt.

• Weil eine Massenkraft 2. Ordnung zweimal pro Kurbelwellenumdrehung auftritt.
• Die Gegenkraft muss deshalb ebenfalls mit der doppelten Frequenz erzeugt werden.

• Beim Lanchester-Ausgleich werden zwei gegenläufige Ausgleichswellen verwendet.
• Bei einem schnelllaufenden Vierzylinder-Reihenmotor können damit insbesondere die freien Massenkräfte 2. Ordnung kompensiert werden.
• Werden die Ausgleichswellen zusätzlich entsprechend höhenversetzt angeordnet, kann auch die Pendelbewegung des Motors reduziert werden.

• Das Motordrehmoment wird nicht gleichmässig erzeugt.
• Während der Verbrennung wirken hohe Gaskräfte auf den Kolben und beschleunigen die Kurbelwelle. Zwischen den Arbeitstakten wird sie wieder verzögert.
• Dadurch entstehen Drehschwingungen.
• Zur Reduzierung können beispielsweise verwendet werden:
  • Drehschwingungsdämpfer
  • Zweimassenschwungrad
  • Fliehkraftpendel.
• Der Drehschwingungsdämpfer ist häufig in das Riemenrad der Kurbelwelle integriert.

• Bei hoher Last wirken starke einzelne Verbrennungsimpulse, während bei niedriger Drehzahl relativ viel Zeit zwischen diesen Impulsen liegt.
• Dadurch können ausgeprägte Drehungleichförmigkeiten und Drehschwingungen entstehen.

• Das Zweimassenschwungrad besteht grundsätzlich aus:
  • Primärschwungmasse
    • → mit der Kurbelwelle verbunden
  • Feder-/Dämpfungssystem
  • Sekundärschwungmasse
    • → getriebeseitig
• Primär- und Sekundärmasse können sich gegeneinander verdrehen; bis etwa 60°KW.
• Dadurch werden die Drehschwingungen des Motors nicht direkt auf das Getriebe übertragen.
  • Vorteile:
    • niedrigere Lastdrehzahlen möglich
    • niedrigere Leerlaufdrehzahl
    • geringere Antriebsstrangbelastung
  • besserer Lastwechselkomfort
  • geringere Getriebegeräusche
  • weniger Leerlaufklappern und Schubrasseln.

• Das Fliehkraftpendel befindet sich auf der Sekundärseite des ZMS.
• Bei Drehschwingungen bewegen sich die Pendelmassen um ihre Mittellage und erzeugen dadurch eine Gegenschwingung, welche die Drehungleichförmigkeit zusätzlich reduziert.
• Besonders bei sinkender Drehzahl werden die Pendelbewegungen grösser.