Anzahl Zylinder bei gleichem Hubraum
Sollte der Hubraum vom Konstrukteur besser auf mehrere Zylinder verteilt werden, oder doch besser mit nur einem einzigen Zylinder gestellt werden? Was ist für die Wirtschaftlichkeit besser? Begründungen.
5 Antworten
Ich kanns Dir einigermaßen anhand der Motoren bei Motorrädern beantworten: Langhuber (also langer Kolbenweg) bringen schon Kraft bei niedrigen Drehzahlen. Du kannst z.B. oft mit dem 4. Gang von 50 - 150km/h fahren. Die Höchstleistung ist niedriger als bei Kurzhubern (mehr Zylinder mit gleichem Gesamtkubik). Der Sound tiefer/voller - nicht wie der Rasenmähersound der Kurzhuber (mehr Zylinder). Ich vermute, daß ein Langhuber in seinem idealen Drehzahlbereich wirtschaftlicher im Verbrauch ist als ein Kurzhuber, weil eben nur ein Kolben und insgesamt weniger Antriebsteile bewegt werden müssen, aber das ist nur meine Vermutung....
Was ein Quatsch!
Die Verdichtung hängt vom Verhältnis Hubraum zu Zylinderkopfraum (nennt sich wohl anders, aber fällt mir nicht ein) ab. Daneben natürlich auch von den Verschlusszeiten und Details der Strömungen samt Resonanzen.
Und die Leistung steigt prinzipiell erst mal mit der Drehzahl, und die mechanische Belastung setzt da dem Hub schon eine Grenze, die Gaswechsel natürlich auch.
Alles im allem ist es wohl mehr eine Frage der Auslegung oder Philosophie. Wesentlich mehr als 50 PS wird man nur in den seltensten Situationen wirklich abrufen, und dazu reichen auch niedrige Drehzahlen und 2 Zylinder, Hubraum vorausgesetzt.
Alles andere ist Optimierung für Hochstleitung bei natürlich hohen Drehzahlen. Und natürlich nicht für den Verbrauch.
Hallo!
Laut Leistungsformel wird die Motorleistung bestimmt durch folgende Faktoren (laienhaft vereinfacht):
- Leistung = Hubraum x mittlerem Druck x Drehzahl
Für die Leistung spielt also die Anzahl der Zylinder keine Rolle.
Und ob ein Motor ein Lang- oder Kurzhuber ist, ist nicht von der Anzahl der Zylinder abhängig, sondern vom Verhältnis
- Kolbendurchmesser zu Hub
und das bestimmt idR der Konstrukteur.
Historisch gesehen waren frühere Motore meist Langhuber (zB englischer Motorenbau), da sie sparsam im Verbrauch waren und ein gutes Motordrehmoment bei niedrigen Drehzahlen aufbauen konnten.
Die Entscheidung für mehrere Zylinder als Ersatz für Einzylinder-Motore erfolgte hauptsächlich wegen der Bauform (hoch bauende Motore) und der Laufruhe bei 4-Takt-Motore.
Die Bedingungen des modernen Automobilbaus mit immer niedrigen Autos und nach aerodynamischen Gesichtspunkten entwickelten Autos forderte immer niedrigere Motore. Dies führte a la longe zu den heutigen Kurzhubern,
Der 4-Zylinder 4-Takt Motor hat sich als wirtschaftlichste Form herauskristallisiert. Motore mit noch mehr Zylindern wurden hauptsächlich der Laufruhe entsprechend entwickelt. Beim Ausgleich der Massenkräfte ist der Reihensechszylinder ansolutes Mass der Dinge.
Aber Reihenmotore bauen lang und die Entwicklung ging Richtung Kompaktheit, als Folge davon wurden V-Motore und Boxer-Motore verwendet, da mit ihnen auch höhere Kubaturen verbaut werden konnten (siehe US-Muscle-Cars) und einen nidrigen Schwerpunkt haben, was wiederum auf das Fahrverhalten des Autos Einfluss hatte..
So gesehen wurden Zylinderanzahl und Motorenbauart im PKW-Bau mehr von Umgebungsbedingungen und jeweiligen Zeittrends bestimmt, wie aus rein technischer Natur. Ganz anders dagegen im Rennmotorenbau, wo es primär um Leistung geht.
LG Bernd
Mehrere Zylinder bedeuten zunächst mehr Verschleißteile. Einzylinder sind von ihrem Volumen in ihrer Wirkung begrenzt;vor allem ist ein unrunder Lauf bei höherer Energieabgabe vorhanden. Die gleiche Frage wird gestellt, ob der Zylinder einen großen Durchmesser hat, bei geringer Hubhöhe, oder für das gleiche Volumen einen kleineren Durchmesser mit höherer Hubhöhe. Beide Möglichkeiten wurden im Automobilbau versucht.
Langhuber sind kraftstoffeffizienter, weil ihre Verdichtung höher ist und sich das Gas beim Verbrennungstakt mehr entspannen kann. Damit steigt der Wirkungsgrad (bzw. sinkt der Verbrauch) was sie vor allem als Nutz(fahrzeug)motoren sinnvoll macht.
Ist aber Höchstleistung gefragt, ist ein Kurzhuber besser, da dieser eben die bessere Höchstleistung erbringt und auch höhere Drehzahlen erreichen kann.
Die Verteilung auf Zylinder und die Auslegung der einzelnen Zylinder sind völlig unterschiedliche Probleme. Du hattest speziell nach der Zylinderzahl gefragt. Prinzipiell sind weniger Zylinder wirtschaftlicher, weil sie weniger Reibungsverluste produzieren. Das liegt daran, dass bei der Reibung Flächen und beim Hubraum Volumina vorliegen. Mit zunehmder Größe in der ersten Dimension, nehmen die Volumina in der dritten Potenz zu, die Reibungsflächen aber nur in der zweiten Potenz. Je größer der Zylinder also ist, umso weniger nimmt die Reibung zu im Verhältnis zum Volumen. Stell dir bildlich vor, du müsstest das Volumen von einem Zylinder auf 100 Minizylinder verteilen. Da kann man sich schon vorstellen, dass die insgesamt mehr Reibung erzeugen, als nur ein großer Kolben. Das ganze findet aber eine konstruktive Grenze. Das ist die Kolbengeschwindigkeit. Diese bestimmt direkt, welche Kräfte auf das Pleuel wirken. Diese darf eine gewisse Grenze nicht überschreiten, weil sonst die Fliehkräfte im OT und UT das Pleuel verformen würden. Die Vergrößerung eines Zylinders führt bei gleicher Drehzahl aber zu höheren Kolbengeschwindigkeiten. Macht man den Kolben noch größer, muss die Drehzahl reduziert werden, was die Leistung begrenzt.
Letztlich wird die Frage nach der Zylinderanzahl ein Optimierungsproblem zwischen Wirtschaftlichkeit, mechanischer Festigkeit und gewünschter Leistungsabgabe. Bei Schiffsmotoren, bei denen die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht, haben die Zylinder riesige Inhalte. Die größten Schiffsmotoren der Welt haben diese Daten: Bohrung 58 cm, Hub 2,48 m, Drehzahl 102/min, Wirkungsgrad >50%.
Ergänzung: das trifft nicht nur auf die Reibungsverluste zu, das gilt auch für die Wärmeverluste an der gekühlten Zylinderwand. Auch hier stehen sich Flächen und Volumina gegenüber.
Von der Reibung her wäre der Einzylinder im Vorteil, nicht aber von den Arbeitsstakten her. Der Verbrennungsmotor besitzt 4 Takte ( I Takt = halbe Kurbelwellenumdrehung) bei zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Bei den Vierzylindermotoren ist stets jeder Zylinder mit dem Arbeitstakt beteiligt, die Drehung läuft also ruhiger und die Gasannahme ist schneller. Das kann man bei einem Einzylinder Traktor sehr gut erkennen.
Die Vermutung ist richtig, die Begründung aber nicht. Langhuber sind effizienter, weil ihre Verdichtung höher ist und sich das Gas beim Verbrennungstakt mehr entspannen kann. Damit steigt der Wirkungsgrad.