Wieso haben Verbrennermotoren so einen engen Drehzahlbereich und Elektromotoren nicht?
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6 Antworten
Nach unten ist die Drehzahl (Leerlaufdrehzahl) begrenzt, weil:
- der Gaswechsel nichtz richtig funktioniert. Im Ansaugtrakt muss die Luft schon eine gewisse Geschwindigkeit haben, um mit Schwung in den Zylinder einzuströmen, denn die Ventile sind ja nur Bruchteile von Sekunden geöffnet. Deshalb sinkt auch das Drehmoment bei geringer Drehzahl ab, weil nicht genügend Luft einströmt.
- zwischen den Zündungen darf nicht zu viel Zeit liegen, weil sonst der Motor dazwischen zu langsam wird und abstirbt. Da hilft dann auch kein Schwungrad weiter, weil die gespeicherte Rotationsenergie bei zu langsamer Drehzahl zu gering ist, um den Motor mit Schwung weiterzudrehen bis zur nächsten Zündung.
Nach oben ist die Drehzahl durch die mechanische Belastung begnezt. Der Kolben muss ständig beschleunigt und abgebremst werden und diese Aufgabe übernimmt das Pleuel. Obwohl hier die teuersten und besten Werkstoffe eingesetzt werden, sind die Zug- und Schubkräftem die das Pleuel zwischen Kurbelwelle und Kolben bei hohen Drehzahlen so groß, dass es dann gerne mal bricht oder abreißt.
Diese Probleme hat ein Elektromotor naturgemäß nicht.
Der Drehzahlbereich von Verbrennungsmotoren ist sowohl nach oben als auch nach unten eingeschränkt. Der Drehzahlbereich von Elektromotoren ist dagegen zwar nach oben eingeschränkt nach unten jedoch kaum. Dennoch haben natürlich beide Motorenarten mit Einschränkungen zu kämpfen.
- Nach oben ist die Drehzahl eines Verbrennungsmotor, hauptsächlich durch die maximale durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit eingeschränkt. Die Ausbreitung der Flammenfront bei der Verbrennung der Ausstoß, der heißen Gase aus dem Zylinder, all das lässt sich nicht beliebig beschleunigen. Auch und gerade die strömenden Gase in den Ansaug-Kanälen und Auspuffkanälen Haben einen erheblichen Strömungswiderstand und müssen ständig abgebremst und beschleunigt werden.
- Ein Verbrennungsmotor, üblicherweise ein Viertaktmotor, erzeugt ja für weniger als eine halbe Umdrehung, alle 2 Umdrehungen (pro Zylinder) Kraft. Das funktioniert erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl rund.
- Die höchst Drehzahl eines Elektromotors wird durch zwei Effekte begrenzt. A) die Impedanz der Magnetspulen, deren Widerstand bei sehr hochfrequenten Wechselstrom proportional zur Drehzahl ansteigt B) und die Festigkeit des Motors selbst und des nachfolgenden Getriebes. Wärend bei sehr kleinen Autos (Modellautos) Ersteres eher relevant ist, ist Zweiteres bei großen, richtigen Personenkraftwagen relevanter.
- Eine echte Mindestdrehzahl hat eine Elektromotor nicht. Er kann bereits im Stand sein volles Drehmoment entwickeln. Allerdings ist der Wirkungsgrad des Elektromotors bei sehr geringen Drehzahlen schlechter. Infolgedessen entsteht bei sehr geringen Drehzahlen auch viel Wärme, die entsprechend effektiv abgeführt werden muss.
In Summe ist das nutzbare Drehzahlband beim Elektromotor deutlich größer.
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- Version des Textes war diktiert und stellenweise schlecht lesbar. Daher habe ich ihn nochmals korrigiert.
Weil die Kolben bewegt werden müssen, wenn die zu schnell drehen wird die Kraft beim abbremsen und beschleunigen logischerweise immer größer und größer irgendwann hält das material nicht mehr.
Dazu kommt das es eben ein verbrennungsprozess ist das x Milisekunden dauert, bewegt sich der motor also zu langsam kann der verbrennungsdruck nicht genutzt werden, dreht sich der motor zu schnell muss man immer früher einspritzen um zum richtigen Zeitpunkt den druck zu haben. Da die Ventile aber entsprehcend arbeiten müssen ist auch das limitiert.
Weil der Elektromotor sich nur drehen muss, dagegen haben die meisten Verbrennermotoren Hubkolben, Ventile, Kurbelwellen und Nockenwellen die die Hubbewegungen in die Drehbewegung umwandeln müssen.
Weil bei einem Hubkolbenmotor die Schwungmasse der drehenden und oszillierenden Teile eine große Rolle spielt, aber auch die Verbrennungsreaktion im Zylinder braucht eine bestimmte Zeit. Mit der Zündung bildet sich eine Verbrennungsfront, das Gas im Zylinder dehnt sich aus und drückt den Kolben. Das muss alles miteinander im Einklang stehen. In Dieselmotoren z.B.sind auch die entstehenden Drücke viel höher im Verbrennungsraum. Drehschiebermotoren haben wieder einen anderen Bereich. Bei Elektromotoren stoßen sich die Magnetfelder von Rotor und Stator gegenseitig ab, was bei jeder Drehzahl gleich ist. Das Drehmoment wird also nur durch die Bauform der Wicklungen an Rotor und Stator und der Stromstärke bestimmt. Allerdings haben Elektromotoren ihren höchsten Wirkungsgrad bei voller Drehzahl und Belastung. Industriemotore müssen seit dem Energieeffiziensgesetz einen Wirkungsgrad von 97% aufweisen. Besondere Bauformen liegen sogar leicht darüber.