Leistungsentwicklung Verbrennungsmotor

  • Mal eine Frage an die Motorenexperten:


    Bei den Leistungsdaten meines LC8 freue ich mich immer, dass das max. Drehmoment bzw. die Spitzenleistung bereits bei vierstelligen Umdrehungswerten erreicht wird. Gängige 200+PS-Vierzylinder (idR mit weniger Hubraum als der LC8) müssen dazu meistens fünfstellig (in der Regel jedenfalls höher) drehen.

    Unabhängig von den Marken und den konkreten Werten meine allgemeine Frage: Erreicht der großvolumige LC8 seine Spitzenleistung tatsächlich „früher“ als der „kleinere“ Vierzylinder?

    Letztlich also die Frage: Gibt es merkliche zeitliche Unterschiede zwischen beiden Konzepten beim Hochdrehen? Dreht der Vierzylinder aufgrund jeweils kleinerer bewegter Massen schneller hoch und erreicht seine Spitzenleistung in zeitlicher Hinsicht früher als ein V2-LC8?


    Ich vermute, dass die Unterschiede gering sind (da man sonst vielleicht auch eine zeitliche Komponente auf Leitungsdiagrammen finden müsste), bin jedoch auch auf Eure Kenntnisse bzw. Einschätzungen gespannt.


    Grüße

    Martin

  • Servus,


    dein Ansatz ist komplett falsch , sorry.


    Leistung ist Drehmoment mal Drehzahl. Drehmoment ist Mitteldruck (eine thermodynamische Größe) mal Hubraum. Soweit erstmal die Mathematik.


    Angenommen, alle Motoren sind ähnlich effizient, ist ihr maximaler Mitteldruck quasi identisch (diese Annahme ist sogar gar nicht so falsch). Das heißt, bei gleichem Hubraum ist auch das Drehmoment gleich. Bei gleicher Auslegung ist auch die Drehzahl gleich und damit die Leistung.


    ABER: Bei sportlichen Motoren wird versucht, das maximale an Leistung herauszuholen. Dazu wird die Drehzahl erhöht und das maximale Drehmoment über Steuerzeiten, Trichterlängen etc. zu höheren Drehzahlen verschoben. Bei großen Einzelhubräumen mit großen Kolben (oder viel Hub, was aber noch kontraproduktiver ist) und großen Ventilen kommt man bei hohen Drehzahlen an eine Grenze (Kraft F = Masse m * Beschleunigung a). Dadurch sind kleinere Einzelhubräume im Vorteil und Vierzylinder haben mehr Leistung bei gleichem Drehmoment als Zweizylinder.


    Um das ein bisschen zu kompensieren, wird deswegen bei Zweizylindern häufig der Hubraum vergrößert, wodurch Drehmoment und Leistung wachsen, das Problem aber erst Recht auftritt. So kommt es zu Drehmomentmonstern wie dem LC8.

  • Sehr gut beschrieben.


    Vielleicht auch noch das:

    Ein Verbrennungsmotor erzeugt je nach dem wie er Aufgebaut ist über sein mögliches Drehzahlband ein Drehmoment mit einem Maximum.
    Wie die Kurve verläuft (Drehmoment über Drehzahl) hängt von immens vielen Faktoren ab.

    Egal bei welcher Drehzahl, ist die Leistung immer so zu Berechnen. Drehmoment mal diese Drehzahl mal einem festen Faktor.


    Um auf dein schneller Hochdrehen einzugehen.

    Es trifft auf jeden Motor zu, dass er mit weniger rotierender Masse schneller hochdreht. Denn Das Fahrzeug und diese rotierende Masse des GESAMTEN Antriebsstranges müssen ja beschleunigt werden.
    Weniger Masse bei gleicher Kraft ergibt eine größere Beschleunigung.

    4 Zylinder haben hier einen kleinen Vorteil, da ja pro Umdrehung mehr Explosionen stattfinden. Somit weniger Schwungmasse benötigt wird. Allerdings haben sie auch eine längere Kurbelwelle.

    Du siehst das wird endlos.
    Deswegen haben die Entwickler ja ihre Prämissen als Vorgabe um den richtigen Charakter des Motors zu treffen.

    Viele Grüße


    Gerhard


    >>Eine Kurve ist erst dann eine Kurve, wenn ich nicht so schnell fahren kann wie ich darf!<<:grins:

  • Soweit richtig, allerdings ist die rotatorische Massenträgheit bei einem Motorrad deutlich kleiner als die translatorische. Auf Deutsch: sobald du eingekuppelt hast, macht die Schwungmasse des Motors nicht mehr so viel aus. (in der Beschleunigung! Im Charakter, also Ansprechen, Teillastverhalten, Vibration, Absterbeneigung.... ist das etwas anderes)

  • Um das ein bisschen zu kompensieren, wird deswegen bei Zweizylindern häufig der Hubraum vergrößert, wodurch Drehmoment und Leistung wachsen, das Problem aber erst Recht auftritt. So kommt es zu Drehmomentmonstern wie dem LC8.

    daher durfte auch Ducati in der SBK zB mit dem v2 mit mehr Hubraum fahren als die Vierzylinder

  • daher durfte auch Ducati in der SBK zB mit dem v2 mit mehr Hubraum fahren als die Vierzylinder

    ... in der SSP auch!

    Woher soll ich wissen, was ich denke, bevor ich gehört habe, was ich sage?

  • daher durfte auch Ducati in der SBK zB mit dem v2 mit mehr Hubraum fahren als die Vierzylinder

    aber die Vierzylinder hatten seinerzeit 25% weniger Hubraum....

    Ist der konzeptionelle Nachteil wirklich so groß? Ich meine nein. Gut, ist halt Ducati.....irgendwie musste man die ja nach vorne bekommen....

    Grüße, Dirk

    KTM 950SM(R) ´06

    Honda VTR1000 SP1 ´01



  • Bei großen Einzelhubräumen mit großen Kolben (oder viel Hub, was aber noch kontraproduktiver ist) und großen Ventilen kommt man bei hohen Drehzahlen an eine Grenze (Kraft F = Masse m * Beschleunigung a).

    Und die Kolbengeschwindigkeit nicht vergessen. So ca. 20m/s sind eine technische Grenze. Darum gab es früher kleine 250er Vierzylinder, die bis zu 20.000 umdrehungen pro Minute schafften, und unsere großen Einzylinder kommen ohne Schäden kaum auf derer 10.000.

  • Ist der konzeptionelle Nachteil wirklich so groß?

    Wohl nicht, waren ja auch mal "Serienweltmeister" Mitte/Ende der 90 ziger mit 8 Titeln in 10 Jahren. Da war der "Hubraumvorteil" mit verantwortlich.

    Woher soll ich wissen, was ich denke, bevor ich gehört habe, was ich sage?

  • Danke an alle!

    Das

    …Es trifft auf jeden Motor zu, dass er mit weniger rotierender Masse schneller hochdreht. Denn Das Fahrzeug und diese rotierende Masse des GESAMTEN Antriebsstranges müssen ja beschleunigt werden.
    Weniger Masse bei gleicher Kraft ergibt eine größere Beschleunigung.

    4 Zylinder haben hier einen kleinen Vorteil…

    hat den Groschen fallen lassen und meine Vermutung bestätigt: Der (bezogen auf die einzelnen Massen) kleinere Mehr-Zylinder ist drehfreudiger als der insofern größere Weniger-Zylinder.

    Drehmoment bleibt außen vor, da grundsätzlich erstmal nicht drehzahlabhängig.

    Das heißt dann auch: Der Mehr-Zylinder entwickelt seine Höchstleistung bei höheren Drehzahlen als der Weniger-Zylinder, läuft jedoch auch schneller durch das Drehzahlband („Drehfreude“) - ich vermute, dass das umso schneller passiert, je kürzer der Hub ist…


    Also dürfte die zeitliche Komponente für die infrage kommenden 1-4-Zylindermotoren zwischen 600-1300 ccm so gering sein, dass sie durch andere Faktoren (Gewicht, Motorkonstruktion, Übersetzung etc.) kompensiert werden kann (Charakter des Motorrads). Korrekt…?

  • ich vermute, dass das umso schneller passiert, je kürzer der Hub ist…

    Da spielen auch Steuerzeiten, Länge der Ansaugwege etc. auch ein gewichtiges Moment mit.

    Woher soll ich wissen, was ich denke, bevor ich gehört habe, was ich sage?

  • Hallo GroTtenolm,


    ich hole kurz mal ein bisschen länger aus, es liegen einige Missverständnisse vor. Ob ein Motor einen oder mehrere Zylinder hat, ist erst einmal egal. Erst im zweiten Ansatz, wenn man gegenseitige Aufladungen betrachtet, also Resonanzen im Abgas- oder Ansaugsystem, kommen da noch Kleinigkeiten dazu. Es gibt genug Motoren, da arbeiten die Zylinder alle unabhängig voneinander, Zweitakter z.B., alle mit eigenen Abpuff und eigenem Vergaser/Einspritzanlage.


    Es geht jetzt nur um die Größe der Zylinder. Die kleinste käuflichen Motoren liegem im Bereich unter 1 cm³ im Modellbau, große Schiffsdiesel kommen auf mehrere m³ pro Zylinder. Motorradmotoren liegen immer so um die 100-500ccm, Ausnahmen sind ganz kleine Vierzylinder und große Einzylinder


    Das zweite Merkmal ist das Hub-Bohrungsverhältnis. Das wird in der Regel quadratisch ausgelegt, also ungefähr soviel Hub wie Bohrung, es gibt aber ebenso extreme Kurzhuber bis hin zur doppelten Bohrung, ebenso wie es extreme Langhuber gibt, bei Schiffsdieseln bis hin zu dem dreifachen Hub.


    Motorradmotoren sind durchweg quadratisch bis stark Kurzhubig. Wo sind die Unterschiede der Bauformen? Zum einen geht es um die Größe der Ventile. Ist die Bohrung relativ groß, bekommt man große Ventile mit viel Fläche, ideal für guten Durchsatz bei hohen Drehzahlen. Dafür gibt es Nachteile, der Brennraum wird merklich ineffizienter und entfernt sich von der idealen Kugelform. Ebenso ist wichtig, wieviel Oberfläche der Zylinderinhalt hat, denn dort wird Wärme abgegeben, die dann nicht der Kraftentfaltung zur Verfügung steht. Darum steigt der Wirkungsgrad mit zunehmendem Einzylhubraum. Das Hub-Bohrungsverhältnis bedingt die Verbrennungsgüte, Langhubmooren sind in der Regel besser als Kurzhubmotoren, etc.


    Das dritte Merkmal sind träge Massen in Bezug zum Drehmoment, denn wenn Du einen Motor beschleunigen willst, wirken die trägen Massen der Beschleunigung entgegen. Kleine Zylinder haben in der Regel weniger relative Masse, absolut natürlich viel weniger, große Zylinder werden relativ schwerer. Ausnahmen bestätigen die Regel, die KTM Einzylinder zeichnen sich z.B. durch sehr geringe Massen aus.


    Die Unterschiede der Motoren liegen jetzt in der Auslegung. Wenn wir und den typischen 250ccm Zylinder anschauen, also den 250ccm Einzylinder, den 500ccm Zweizylinder, den 750cc, Dreizylinder und den 1000ccm Vierzylinder, dann ist es nur eine Frage der gewollten Auslegung, was der Motor leistet. Die einen legen den Motor so aus, dass er bei 2000 U/min das maximale Drehmoment erzielt, das ist in vielen Autos so, andere gehen bis auf über 10.000 U/min. Das ist eine reine Frage, was man will und liegt vor allem an Steuerzeiten und Kanaldurchmessern.


    Die Zylinderanordnung ist auch erst einmal egal. Ob in Reihe, als V oder Boxer hat vor allem, geometrische Gründe, geht um den Massenausgleich, Gleichförmigkeit usw. Die Unterschiede im Drehmomentverlauf sind unterordnet. Beim Fahren bemerkt man aber große Unterschiede, insbesondere die Zündwinkel bemerkt man. Ob z.B. ein Zweiylinder gleichzeitig zündert, mit 90° Zündversatz, 180°, 270° oder 360° ist deutlich zu spüren. Gleichzeitig wäre ein Paralleltwin, die gibt es aber auch mit 360° Versatz, Gegenläufer haben 180° , V Motoren je nach Winkel 90° oder den Winkel plus 180° und neuerdings gibt es genug Konzepte mit einzelnen hubzapfen für jeden Zylinder und damit freier Wahl das Zündwinkels.

  • der Groschen liegt noch ganz oben ;-)

    ein Motor dreht schnell hoch, wenn das Fahrzeug schnell beschleunigt*, also viel Drehmoment (in diesem Moment) anliegt, sonst gar nichts. Natürlich dreht ein Hochdrehzahlmotor schneller hoch, aber einfach, weil er kürzer übersetzt ist. Drehfreude ist ein Wort, das total schwammig ist und nichts mit echten Fakten zu tun hat.



    *Der Motor ist über Kupplung, Getriebe, Kette und Reifen mit der Straße verbunden

  • Und die Kolbengeschwindigkeit nicht vergessen. So ca. 20m/s sind eine technische Grenze. Darum gab es früher kleine 250er Vierzylinder, die bis zu 20.000 umdrehungen pro Minute schafften, und unsere großen Einzylinder kommen ohne Schäden kaum auf derer 10.000.

    Korrekt. Die Kolbengeschwindigkeit ist ein Resultat aus Drehzahl und Hub, deswegen mein Einwurf "(oder viel Hub, was aber noch kontraproduktiver ist) ". Hochdrehzahlmotoren sind immer kurzhubig ausgelegt. Deswegen heißt der Motor in der Panigale 1299 auch Superquadro, weil er nicht quadratisch ist (Bohrung und Hub gleich), sondern mehr als das; BxH 116 mm × 60.8 mm. Für einen V2 ist der extrem leistungsstark.

  • Einfach so als bsp wie unterschiedlich Motorcharakteristiken ausfallen können trotz

    Beta 350 vs KTM 350

    - gleicher Hubraum: 349.1cm3 vs 349.7 cm3

    - gleiche Bohrung /Hub: 88mm/57,4mm bzw 88mm/57,5mm


    aaber:

    - Kolbengeschwindigkeit bei Nenndrehzahl: 14.3 m/s vs 19.2 m/s

    - Nenndrehzahl (Drehzahl bei max Leistung) 7500rpm vs 10000rpm

    - mehr Schwungmasse der Beta, dafür geht die KTM schneller durchs Drehzahlband was sich auf die Beschleunigung aber nicht äussert (auch wegen der besseren Traktion der Beta)


    Am Ende sieht man sehr gut dass trotz gleichen Basisdaten komplett zwei verschiedene Motorcharakteristiken raus kommen. Eine auf Drehmoment und Traktion optimiert (Trialcharakter), eine auf Spitzeneistung und schnelles hochdrehen (MX Charakter)



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  • Motorradmotoren sind durchweg quadratisch bis stark Kurzhubig. Wo sind die Unterschiede der Bauformen? Zum einen geht es um die größe der Ventile. Ist die Bohrung relativ groß, bekommt man große Ventile mit viel Fläche, ideal für guten Durchsatz bei hohen Drehzahlen. Dafür gibt es Nachteile, der Brennraum wird merklich ineffizienter und entfernt sich von der Idealen Kugelform. Ebenso ist wichtig, wieviel Oberfläche der Zylinderinhalt hat, denn dort wird Wärme abgegeben, die dann nicht der Kraftentfaltung zur Verfügung steht. Darum steigt der Wirkungsgrad mit zunehmender Einzylhubraum. Das Hub-Bohrungsverhältnis bedingt die Verbrennungsgüte, Langhubmooren sind in der Regel besser als Kurzhubmotoren, etc.

    Hast du da nicht die Kolbengeschwindigkeit vergessen. Ja langhubiger desto höher die Kolbengeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl. Also können sehr hoch drehende Motoren nur sehr kuruhubig sein.



    Das dritte Merkmal sind träge Massen in Bezug zum Drehmoment, denn wenn Du einen Motor beschleunigen willst, wirken die trägen Massen der Beschleunigung entgegen. Kleine Zylinderhaben in der Regel weniger relative Masse, absolut natürlich viel weniger, große Zylinder werden relativ schwerer. Ausnahmen bestätigen die Regel, die KTM Einzylinder zeichnen sich z.B. durch sehr geringe Massen aus.

    Dabei spielen auch die Kurbelwellen eine deutliche Rolle. Es ist erstaunlich, wie viel schneller eine "erleichterte" Kurbelwelle hochdreht. Das wird natürlich mit weniger Durchzugskraft erkauft. Also auch die Masen spielen hinsichtlich Drehzahlerhöhung (also wie schnell wird hochgedreht) eine Rolle.

    Woher soll ich wissen, was ich denke, bevor ich gehört habe, was ich sage?

  • der Groschen liegt noch ganz oben ;-)

    Dann holen wir ihn doch runter (sic!)

    ein Motor dreht schnell hoch, wenn das Fahrzeug schnell beschleunigt*, also viel Drehmoment (in diesem Moment) anliegt, sonst gar nichts. Natürlich dreht ein Hochdrehzahlmotor schneller hoch, aber einfach, weil er kürzer übersetzt ist.

    … und wenn wir den Motor einzeln betrachten (Danke dafür ans Rotkaeppchen, der das sehr anschaulich erklärt hat) und Dinge wie Motorradmasse, Übersetzung, Kupplung, Reifen etc. mal weglassen?

    Nur der reine Motor im Labor, die Kurbelwelle hängt an einem mechanischen Widerstand (keine Ahnung, wie Motoren im Labor „ausgefahren“ werden….)


    Mein Groschen sagt mir, dass der Mehr-Zylinder bei gleichen Bedingungen (zeitlich) schneller Drehzahl aufbaut als der Weniger-Zylinder.

  • Hast du da nicht die Kolbengeschwindigkeit vergessen. Ja langhubiger desto höher die Kolbengeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl. Also können sehr hoch drehende Motoren nur sehr kuruhubig sein.



    Dabei spielen auch die Kurbelwellen eine deutliche Rolle. Es ist erstaunlich, wie viel schneller eine "erleichterte" Kurbelwelle hochdreht. Das wird natürlich mit weniger Durchzugskraft erkauft. Also auch die Masen spielen hinsichtlich Drehzahlerhöhung (also wie schnell wird hochgedreht) eine Rolle.

    Nein, ich habe die Kolbengeschwindigkeit bewusst nicht vergessen. Denn das sind noch ganz viele andere Punkte. Da kommen Flammgeschwindigkeit mit rein, thermische Drehzahlgrenzen, mechansiche usw.


    Erleichterte Kurbelwellen bringen im Vergleich zu reduzierten Schwungmassen z.B. am Polrad oder dem Kupplungskorb wenig, weil der Radius gering ist. Auf den Drehmomentverlauf hat das rein gar keinen Einfluss.

  • Erleichterte Kurbelwellen bringen im Vergleich zu reduzierten Schwungmassen z.B. am Polrad oder dem Kupplungskorb wenig, weil der Radius gering ist.

    Hat aber einen Einfluss auf die Eingangsfrage und muss daher erwähnt werden!

    Woher soll ich wissen, was ich denke, bevor ich gehört habe, was ich sage?

  • Man darf den Motor nicht so isoliert betrachten. Das Drehmoment, das zum Beschleunigen des Motors notwendig ist, ist extrem klein. Gebt mal im Neutralgang Vollgas und versucht die Zeit zu stoppen. Da kommt ihr nicht hinterher. Das heißt, am Gesamtdrehmoment ist dieser Anteil sehr klein. Oder anders, es ist vollkommen egal, ob die Kurbelwelle erleichtert ist oder nicht, ihr werdet es an der Beschleunigung nicht sehen.


    Rein akademisch ist es korrekt, je kleiner das Trägheitsmoment J, desto schneller die Beschleunigung bei gleichem Motordrehmoment (J* d/dt omega = M).


    Offroad ist das was anderes, da existiert die feste Verbindung von Fahrzeuggeschwindigkeit zu Motordrehzahl nicht, weil du immer Schlupf hast. Das heißt, weniger Massenträgheit führt zu einem schnelleren Hochdrehen, weil das dem Neutralgang näher kommt als einer festen Verbindung.


    Am Motorprüfstand gibt es verschiedene Arten der Regelung. Entweder wird die Drehzahl vorgegeben und der Prüfstand hält diese, das heißt, das komplette Drehmoment des Motors wird von der E Maschine/Wirbelstrombremse gehalten. Oder der Prüfstand simuliert die Straße, berechnet also aus einer (meist virtuell eingestellten) Übersetzung und einer Geschwindigkeit ein Drehmoment. Bietet der Motor mehr, dreht er hoch, bietet er weniger, tourt er ab.

    Auf der Rolle wird häufig einfach eine Schwungmasse beschleunigt. Aus obiger Formel (J* d/dt omega = M) lösst sich mit dem Drehzahlanstieg dann das Drehmoment bestimmen.