P2.2, 4_Motorcharakteristik

Automobildiagnostiker, P2.2_Register 4, Motorcharakteristik

Automobildiagnostiker, P2.2_Register 4, Motorcharakteristik


C. S.
Diese Lernkarten behandeln die Motorcharakteristik mit Fokus auf Drehmoment, Drehzahl, Kolbenarbeit und Wirkungsgrad, wobei Drehschwingungen, Massenkräfte und Gaswechselarbeit zentrale Themen sind. Sie erklären physikalische Zusammenhänge wie die Entstehung von Drehungleichförmigkeiten, den Ausgleich von Massenkräften und die Funktionsweise von Schwungrädern oder Ausgleichswellen. Besonders relevant ist dies für Studierende oder Ingenieure, die Verbrennungsmotoren analysieren oder optimieren möchten.
Flashcards
40
Students
0
Language
German
Category
Mechatronics
Level
Other
Created / Updated
13.11.2025 / 03.04.2026

Flashcards

Was versteht man unter einer Motorkennlinie?

  • Verlauf von Drehmoment, Leistung und spezifischem Kraftstoffverbrauch über die Motordrehzahl
  • Sie wird auf dem Prüfstand bei verschiedenen Betriebsbedingungen aufgenommen und beschreibt das Leistungs- und Verbrauchsverhalten eines Motors

Erklären Sie den Unterschied zwischen Vollast- und Teillastkennlinie.

  • 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.

Was ist der elastische Bereich eines Motors und warum ist er wichtig?

  • 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

Nennen Sie drei Messverfahren zur Leistungsbestimmung und vergleichen Sie diese.

  • 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.

Welche Faktoren beeinflussen die Zylinderfüllung?

  • Drosselklappenstellung

  • Größe und Form der Einlass- und Auslasskanäle

  • Ventilzahl und Steuerzeiten

  • Saugrohrlänge/Resonanz

  • Aufladung und Ladeluftkühlung

  • Lufttemperatur, Druck, Luftdichte

  • Abgasanlage (Gegen- bzw. Resonanzdruck)

Erklären Sie den Begriff „Liefergrad“ und nennen Sie typische Werte.

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 %

Welche Maßnahmen verbessern den Füllungsgrad eines Motors?

  • Turbo-/Kompressoraufladung

  • Ladeluftkühlung

  • große Kanalquerschnitte, 3–5 Ventile

  • variable Ventilsteuerung

  • optimierte Saugrohrlängen (Resonanz)

  • strömungsgünstige Ansaug- und Abgasanlagen

  • höheres Verdichtungsverhältnis

Welche Verluste treten im niedrigen Drehzahlbereich auf und warum?

  • Geringe Strömungsgeschwindigkeit → schlechte Füllung

  • Wenig Resonanzeffekte im Saugrohr

  • Hohe Dichtheitsverluste → mehr Blow-by

  • Hohe Wärmeverluste, da mehr Zeit zwischen den Verbrennungen

Warum nimmt der spezifische Kraftstoffverbrauch bei hohen Drehzahlen zu?

  • 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)

Was bewirkt die Vollastanreicherung und warum wird sie eingesetzt?

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.

Erklären Sie die Zusammenhänge zwischen Drehmoment, Leistung und Drehzahl.

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.

Was versteht man unter dem mechanischen Wirkungsgrad?

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

Warum hat ein Dieselmotor einen höheren thermischen Wirkungsgrad als ein Ottomotor?

  • Höheres Verdichtungsverhältnis

  • Hohes Luftüberschussverhältnis

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

Erklären Sie das Muscheldiagramm und nennen Sie den effizientesten Betriebsbereich.

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.

Wie wirkt sich die Getriebeübersetzung auf den Kraftstoffverbrauch aus?

  • 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.

Was versteht man unter Verdichtungsraum, Hubraum und Verdichtungsverhältnis?

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.

Warum erhöht ein höheres Verdichtungsverhältnis grundsätzlich den Wirkungsgrad?

  • 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.

Warum kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig erhöht werden?

  • 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.

Was zeigt ein p-V-Diagramm?

  • 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.

Was versteht man unter Gaswechselarbeit und warum ist sie beim Saugmotor meist negativ?

  • 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.

Was verändert sich beim aufgeladenen Motor?

  • 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.

Was ist der mittlere indizierte Kolbendruck pmi?

  • 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.

Welche Nachteile entstehen bei sehr hohem Mitteldruck?

Es steigen:

  • mechanische Motorbelastung
  • thermische Motorbelastung.

Deshalb können Mitteldruck und damit Drehmoment nicht beliebig gesteigert werden.

Wie funktioniert der Miller-Prozess?

  • 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.

Wie funktioniert der Atkinson-Prozess und worin liegt sein Nachteil?

  • 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.

Wie kann eine variable Ventilsteuerung die Gaswechselverluste reduzieren?

  • 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.

Zeigen Sie mir im p-V-Diagramm, wo der Motor Arbeit erzeugt und wo er Arbeit verliert.

  • 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

Wie verändert sich die Kolbengeschwindigkeit während einer Kurbelwellenumdrehung?

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.

Warum befindet sich der Kolben bei 90° KW nicht exakt auf halbem Hub?

  • 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.

Was versteht man unter dem Kröpfungswinkel einer Kurbelwelle?

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

Wie wird der Kröpfungswinkel bei einem V-Motor bestimmt?

  • 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 

Was versteht man unter Massenausgleich und was ist der Unterschied zum Auswuchten?

  • 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.

Warum können die oszillierenden Massenkräfte des Kolbens nicht einfach vollständig mit Kurbelwellen-Gegengewichten ausgeglichen werden?

  • 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.

Was sind Massenkräfte 2. Ordnung und wie können sie ausgeglichen werden?

  • 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.

Warum drehen die Ausgleichswellen mit doppelter Kurbelwellendrehzahl?

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

Wie funktioniert der Lanchester-Ausgleich?

  • 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.

Warum entstehen Drehschwingungen an der Kurbelwelle und wie können sie gedämpft 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.

Warum sind drehmomentstarke Motoren bei niedrigen Drehzahlen besonders kritisch?

  • 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.

Wie funktioniert ein Zweimassenschwungrad und welchen Zweck erfüllt es?

  • 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.

Was bewirkt ein zusätzliches Fliehkraftpendel im ZMS?

  • 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.

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