Warum nimmt das Drehmoment bei einem Verbrennungsmotor ab einer bestimmten Drehzahl wieder ab?
Bis jetzt habe ich herausgefunden, dass sich das Drehmoment bei einem Verbrennungsmotor aus dem Produkt von Hubvolumen und effektivem Mitteldruck berechnen lässt. Auf den ersten Blick müsste das Hubvolumen doch über den gesamten Drehzahlbereich konstant bleiben. Mit dieser Annahme müsste ab einer bestimmten Drehzahl aber der Mitteldruck abnehmen - warum?
5 Antworten
Richtig, der Mitteldruck nimmt ab einer bestimmten Drehzahl wieder ab.
Die Gründe dafür sind einmal der Füllgrad. Der Füllgrad wiederum hängt von der Massenträgheit der Luft und den Steuerzeiten (die Zeiten bei denen die Ventile offen und geschlossen sind) ab.
Die meisten PKW Motoren sind auf mittlere Drehzahlen optimiert und haben deswegen Steuerzeiten, die das Drehmoment in mittleren Drehzahlen begünstigen. In die hohen Drehzahlen zu gehen ist ja eher eine Ausnahme. Weil darüber hinaus die Luft Massenträgheit besitzt kann sie bei hohen Drehzahlen nicht mehr so schnell und so reichhaltig einströmen. Die Folge es kann weniger Kraftstoff eingespritzt werden und der Mitteldruck und Drehmoment sinkt.
(Motoren die viel Leistung bei hohen Drehzahlen generieren sollen (z.B. Formel 1 und Motorradmotoren) haben deswegen Steuerzeiten um genau dieses Problem zu lösen.)
Beim Dieselmotor kommt als zweiter Grund erschwerend der Zündverzug dazu. Dieselkraftstoff explodiert nicht sofort, nachdem er eingespritzt wird, sondern immer zeitverzögert. Wenn der Dieselmotor sich gen 5000 1/min nähert, ist der Kolben schon halb unten (salopp gesagt), bevor überhaupt der Diesel explodiert und überhaupt Druck erzeugen kann.
Ich glaube beim Benziner besteht dieses Problem, das die Kolbenmaximalgeschwindigkeit sich der Explosionsgeschwindigkeit annähert ebenso.
Durch die steigende Drehzahl verringert sich die Öffnungszeit der/ des Einlassventile(s). Hierdurch nimmt der Füllungsgrad ab und somit fällt der Mitteldruck und das Drehmoment.
Während die PS-Zahl eines Fahrzeuges bestimmend für dessen Endgeschwindigkeit ist, so ist das Drehmoment eine für die Beschleunigung des Fahrzeuges charakteristische Größe.
Ist dieses Drehmoment groß, so kann pro Reifenumdrehung mehr Kraft auf die Strasse übertragen werden.
Den Reifen kann man sich hier analog zu einer Wippe (bekannt aus dem Physikunterricht) mit einem Drehpunkt in der Mitte und einem Kraftangriffspunkt an der Oberfläche vorstellen.
Zu beachten ist noch, dass das Drehmoment, welches der Motor eines Fahrzeuges liefert, nicht konstant ist, sondern bei zu hoher oder zu geringer Drehzahl abnimmt.
Jeder Motor hat einen Drehzahlbereich, in dem er sein optimales Drehmoment hat - bei einem Formel 1 Motor ist das etwa bei 15000-16000 U/Min.
Bei einem Serienmotor mit einer Liter-Leistung von 60 bis 65 PS erreichen wir rund 100 Nm pro Liter Hubraum.
Beim F1-Motor liegt die Liter-Leistung oberhalb von 250 bis 280 PS, aber das Drehmoment nur bei 110 bis 130 Nm pro Liter Hubraum, bei einem 3-Liter-F1-Motor also bei 330 bis 390 Newtonmetern.
Ohje, Raddrehmomente.
Aber um das mal ganz ganz wissenschaftlich korrekt zu sagen: Weder das Drehmoment noch die Maximalleistung ist für die Beschleunigung relevant (bzw. ist es schon, aber nicht in voller Gänze). Das was die Beschleunigung ausmacht, ist das Integral der Leistung zwischen den Drehzahlen, die man zum Beschleunigen nutzt.
Was in Wirklichkeit abnimmt, ist der Füllungsgrad, weil die Luft bzw das Gasgemisch halt auch irgendwo träge ist und nicht beliebig schnell in den Zylinder gedrückt werden kann. Außerdem Strömungswiderstände im Ansaugtrakt. Dazu abnehmende Effizienz der Verbrennung dadurch, dass irgendwann dann auch die Verteilung des Sprits in der Brennkammer schlechter wird und all so was.
Ich schätze, dass oberhalb der Drehzahl des maximalen Drehmoments Defizite bei der Be- und Entlüftung der Zylinder auftreten.
Ist der Zylinder nicht mehr vollständig gefüllt, wird im Arbeitstakt weniger Energie an die Kurbelwelle gegeben.
1. Das Motordrehmoment hat nichts mit dem relevanten Raddrehmoment zu tun
2. Es ist die maximal mögliche Leistung für die Beschleunigung relevant, nicht das maximale Drehmoment