Warum hängt Leistung von der Drehzahl ab?
Dass bei einem Motor die Leistung von der Drehzahl abhängt weiß jeder, der schonmal am Steuer saß.
Aber warum ist das so? Warum hängt die Leistung davon ab wie schnell meine Zylinder auf und ab hüpfen? Warum steigt die Leistung bei steigender Drehzahl, um dann ab einen gewissen Punkt wieder abzubauen?
5 Antworten
Das ist bei einer Drehbewegung analog zu einer linearen Bewegung.
Bei der linearen Bewegung ist die Leistung gleich Kraft mal Geschwindigkeit.
Bei einer Drehbewegung entspricht die Kraft dem Drehmoment und die Geschwindigkeit der Drehzahl. Daher gilt hier, dass Leistung gleich Drehzahl mal Drehmoment ist.
Es kommt die Trägheit der Luft ins Spiel:
Es ist eben nicht so, dass solange Luft durch den Unterdruck angesaugt wird, bis der Druck ausgeglichen ist. Das geht alles viel zu schnell, wodurch immer ein Rest "Unterdruck" übrigbleibt, und der ist bei kleiner Drehzahl höher, als bei einer mittleren Drehzahl.
Kurze Überschlagsrechnung: bei 1.200 min^^1 dreht der Motor 20 mal in der Sekunde. Da nur die hälfte einer Umdrehung zum Ansaugen bleibt (4-Takt), bleiben nur 1/40 Sekunde für die Luft, den Druck auszugleichen. Wenn wir annehmen, die Luft würde im Ansaugtrakt stehen, müsste die im Bruchteil einer Sekunde beschleunigt werden. Bis die wirklich in Bewegung kommt, ist das Einlassventil auch schon wieder zu.
Beispiel zur Plausibilität: Wenn es draußen fast Windstill ist und du 2 entgegengesetzt liegende Fenster öffnest, dauert es auch eine gewisse Zeit, bis sich ein Windzug aufbaut. Wenn du das eine Fenster nur für eine halbe Sekunde öffnest, reicht das nicht aus, um die Luft im Zimmer so zu beschleunigen, dass ein Zug entsteht. Anders sieht es aus, wenn ordentlich Wind bläst, die Luft also schon Geschwindigkeit mitbringt. Dann reicht auch schon 1 Sekunde des geöffneten Fensters aus, um sofort Durchzug zu haben.
So ist es auch beim Motor: je schneller er dreht, umso schneller ist auch schon die Luft, wenn das Einlassventil kurz aufgeht. Sie muss also nicht erst durch den Unterdruck beschleunigt werden, sie schießt sozusagen schon mit Schwung in den Zylinder und kann diesen innerhalb der kurzen Zeit laden. Irgendwann überwiegen aber durch die hohe Luftgeschwindigkeit die Reibungsverluste und irgendwann ist die Öffnungszeit des Einlassventils so kurz, dass das Drehmoment wieder abnimmt. Bei 6000 min^^1 ist das Einlassventil z.B. nur für 1/200 Sekunde (= 0,005 Sekunden) offen. Und das reicht halt selbst bei schneller Luftsäule im Ansaugtrakt nicht mehr, um ordentlich Luft in den Zylinder zu bringen. Daher bricht irgendwann das Drehmoment und damit auch die Leistung zusammen, weil die Zeit einfach zu kurz ist, um die Luft zu beschleunigen und zum Einströmen in den Zylinder zu bringen.
Je mehr Verbrennungen pro Sekunde desto mehr mechanische Kraft wird auf die Kurbelwelle übertragen -> Niedrige Drehzahl weniger Kraft da weniger Verbrennungen , hohe Drehzahl mehr Kraft mehr Verbrennungen pro Sekunde
Das macht soweit Sinn. Diese Überlegungen hatte ich auch schon angestellt. Aber warum bricht dann irgendwann die Leistung wieder ein? Kommt dann die Trägheit der Masse ins Spiel?
Es fällt dem Fahrzeug leichter das Gewicht fort zu bewegen, so wie beim Fahrrad mit niedrigem Gang wenn du los fährst.
Drehmoment = Arbeit. In der Leistung steckt die Zeit drin, innerhalb welcher Zeit wird die Arbeit verrichtet. In welcher Zeit wird die Kurbelwelle des Motors wie oft durchgedreht? Das ist die Drehzahl und wird in U/min angegeben, daraus ist die Verknüpfung mit der Zeit ersichtlich.
Wenn Du Fahrrad fährst wirst Du auch schneller wenn Du schneller in die Pedale trittst.
Du brauchst aber mehr Kraft darum stellst Du den Gang hoch. Dadurch kannst Du leichter treten musst aber dafür noch schneller sein. Und irgendwann trittst Du wie ein Weltmeister kommst aber kaum noch vorwärts.
Du bringst nun noch die Übersetzung mit ins Spiel, die damit nichts zu tun hat, außerdem drehst du es auch um.
Wenn du hoch schaltest, trittst du langsamer, das Treten ist schwerer, du bist aber schneller.
Genauso ist das beim Auto 1. Gang hat die niedrigste Übersetzung, höchster Gang hat die höchste Übersetzung.
Das macht soweit Sinn. Diese Überlegungen hatte ich auch schon angestellt. Aber warum bricht dann irgendwann die Leistung wieder ein? Kommt dann die Trägheit der Masse ins Spiel?