Verhältnis zwischen Hubraum und Anzahl der Zylinder ?

Moin,

Axel Maier schrub:

Da kommt einiges zusammen.

Je schneller ein Motor dreht, desto mehr Zündungen macht er pro Sekunde und kann dementsprechend aus dem gleichen Hubraum auch mehr Leistung herausholen. Wenn man also einen möglichst leichten Motor mit viel Leistung haben will, braucht man einen, der eine hohe Drehzahl fahren kann.

Die Drehzahl des Motors ist aber auch und in nicht unwesentlichem Maße durch die Kolbengeschwindigkeit begrenzt. Gleitet der Kolben zu schnell in seiner Buchse, dann reißt der Schmierfilm ab und es kommt zu Verschleiß. Das mag bei Rennmotoren noch begrenzt tolerierbar sein, bei Alltagsmotoren jedoch nicht mehr so. Also stellt die Kolbengeschwindigkeit eine begrenzende Größe dar. Will man nun die Drehzahl erhöhen, muss man folglich bei gleicher Kolbengeschwindigkeit den Hub verringern. Das verringert natürlich den Hubraum. Um das auszugleichen kann man die Zylinderzahl vergrößern, oder auch den Kolbendurchmesser.

Vergrößert man den Kolbendurchmesser, kann etwas anderes unangenehmen passieren: Der Kolben klemmt sozusagen. Denn der Kolben gleitet ja nicht nur friedlich auf und ab, sondern er will sich aufgrund der Kräfte durch den schräg stehenden Pläul auch verdrehen. Ist der Kolben also sehr breit (großer Durchmesser), dann könnte er sich selbst festklemmen. Das ist natütrlich nicht so toll. Um das zu verhindern, muss man den Kolben - wenn man ihn im Durchmesser größer macht - auch länger machen. Ein längerer Kolben wiegt aber wieder mehr und braucht mehr Platz, was für die Anwendung Rennotor wieder unerwünscht ist.

Die Lösung mit mehr Zylindern löst dieses Dilemma.

Allerdings bedeuten mehr Zylinder auch mehr Einzelteile. Das ist eine Kostenfrage, weswegen sich mehr als 4-zylindrige Motoren in Alltags-PKW kaum finden, hier hat sich der Vierzylinder durchgesetzt.

Aber es kommt noch mehr dazu: ein Viertaktmotor wollte ja möglichst gleichmäßig zünden, die Zündabstand von einem Zylinder zum nächsten sollte gleich sein, damit der Motor möglichst erschütterungsfrei läuft. Das geht mit 4 Zylindern recht gut. Sogar so gut, dass sich dieses Experiment mit den 5 Zylindern (von VW/Audi) nicht durchsetzen konnte. 6 Zylinder sind dann wieder eine bessere Zahl. Noch schöner sind natürlich V-Motoren.

Es sind ja nicht nur die Erschütterungen durch die Zündung, es ist ja auch so, dass trotz Gegengewicht an der Kurbelwelle ein alleiniger Zylinder nie erschütterungsfrei läuft. Da schäudert immer irgendwie was hin und her, auf und ab, immer rund,.... Mit mehreren Zylindern kann man diese Erschütterungen gegeneinander ausgleichen. Beim 4-Zylinder z.B. geht das ganz gut, weil die inneren beiden Kolben nach unten laufen wenn die äußeren nach oben laufen. Durch diese Asymmetrie werden ein gut Teil der Erschütterungen eines Zylinders durch die der anderen ausgeglichen.

Was dann bei PKW-Motoren noch wichtig werden kann, ist die Aerodynamik im Ansaugbereich. Hier kommt es zu Schwingungen, die nützliche oder schädliche Effekte haben können. Auch das ist bei der Wahl der Zylinderzahl eventuell zu bedenken (vermutlich seit Direkteinspritzertechnik nicht mehr ganz so wichtig).

Bei Formel-1-Motoren befasst man sich mit dem Problem eher nicht, da bekommt jeder Zylinder seinen eigenen Vergaser - sowas ist aus Kostengründen natürlich IMO nie ernsthaft in PKW eingesetzt worden (Exoten mal außen vor gelassen).

Ach ja, Reihenmotor versus V-Motor: Ist auch noch eine Kostenfrage, weil der eine braucht im Minimalfall eine Nockenwelle, der andere (V) geht zwar auch mit einer, ist dann aber sicher recht antik. Zweie solltens da schon sein. Außerdem die Herstellung: Bei einem Reihenmotor liegen alle Zylinder in einer Reihe, lassen sich also auch Werkzeugmaschinenmäßig in einem Rutsch bearbeiten. Beim V-Motor ist da eventuell ein Umspannen nötig.

Jedenfalls all so was und sicher noch viel mehr Überlegungen kommen zusammen, wenn man die optimale Zylinderzahl für einen Motor plant.

CU Rollo

Ja, O-Ton Ferdinand Porsche: Ein Motor kann garnicht einzylindrig genug sein!

Und

Hubraum ist durch nichts zu ersetzen, ausser durch mehr Hubraum!

Nicht zwangsläufig. Kommt auf den Einsatzzweck an.

Otto, Diesel, Mopped...PKW...Flugzeug...F1...Schiff...

Bauform: Reihe, V, Boxer, Stern und was weiss ich noch alles.

Bei Schiffs-Grossdieseln gibt es sogar 1-7 Zylinder mit Hubräumen von hunderten von Litern (geschätzt) Kann man auffem Kolben stehen...

Extreme niedrige Drehzahlen, deutlich unter 100 U/min.

Oder Flugzeuge Doppel Stern Motore 2x17(?)cyl... Drehzahlen umme 2-3000 U/min.

Ab 500ccm pro Zylinder braucht man bei Otto Motoren im PKW Ausgleichswellen für 4 und weniger Zylinder.

Der größte Otto Serien 4zyl Sauger hatte 3000ccm/240PS und war in meinem heissgeliebten Porsche 968. 750ccm/Zylinder, der zog wie ein Ochse :-)

Saludos Wolfgang

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Axel Maier schrieb:

Die beschränkende Größe ist die Beschleunigung a der Kolben, die proportional zum Hub H und zum Quadrat der Drehzahl n ist. Der Hub ist proportional zur dritten Wurzel aus dem Hubraum V, die Leistung P ist proportional zu Hub und Drehzahl:

P = c1 * n * V = c1 * n * H^3 a = c2 * n^2 * H => H = a/(c2*n^2) oder => n = (a/(c2*H))^(1/2)

P = c1 * n * V = c1 * n * (a/(c2*n^2))^3 = c * a^3 / n^5

Die Konstante c ist systemabhängig (je höher die Kompression, desto mehr Leistung pro Hubraum - am besten schneiden dabei Diesel ab), aber hohe Drehzahlen sind bei gegebener Grenzbeschleunigung kontraproduktiv. Vielleicht wird das klarer, wenn man P(a, H) angibt:

P = c1 * n * V = c1 * (a/(c2*H))^(1/2) * H^3 = c*a^(1/2)*H^2,5

Wenn a und H gegeben sind, dann kann man P nur durch die Anzahl der Zylinder erhöhen, was bezogen auch den Gesamthubraum effektiver ist als die Vergrößerung des Zylinderhubraums (und natürlich zu höheren Drehzahlen führt). Die Grenzdrehzahl ist im übrigen auch hubabhängig, weil die Verbrennung eine Mindestzeit benötigt, die in etwa proportional zu H ist.

Hallo, Axel!

Gruß aus Bremen Ralf

[...] [...]

Alles richtig und schön beschrieben, bis auf:

Doch, extrem wichtig bei Hochleistungsmotoren, teilweise mit Resonanzaufladung...

[...]

Die haben schon sehr lange keine Vergaser mehr, inzwischen nicht mal mehr Nockenwellen oder klassische Ventilfedern. Machen die inzwischen mit Pressluft aus ner Druckflasche. Bei bis zu 20.000 U/min (hamse wohl inzwischen auf 19.000 per Regeln begrenzt) geht das nich anders.

Saludos Wolfgang

Das war aber eher ein Spruch zum Lanz-Bulldog.

Nick

Keine Nockenwellen?

Das halte ich auch eher für ein Gerücht. Die Ventilfedern werden pneumatisch/hydraulisch unterstützt, sind aber immer noch da. Wäre die Feder komplett durch Druckluft ersetzt, würde die Luft / das Öl ganz schön heiß werden.

Nick

Noch extremer ist es bei Schiffsmotoren. 2000l Einzelhubraum. :-)

Nick

Für Landfahrzeuge: Lanz Bulldog.. mit bis zu 10,5 Liter Hubraum

Moin,

Wolfgang Allinger schrub:

Die klassischen Ventilfedern waren in der fahrzeugtechnischen Antike ein Problem, weswegen man mit Zwangssteuerung experimentiert hat. Aber heute? Und das mit der rein pneumatischen Ventielbewegung glaube ich auch nicht ganz, vorallem nicht mit Druckluft aus einer Druckflasche. Druckluft ist ein ganz schöner Energievernichter.

Aber zur Ausgangsfrage, einer von vielen Punkten, die ich noch nicht genannt hatte ist, dass sich das heiße Brenngas an den Zylinderwänden abkühlt. Und das um so mehr, je länger es Zeit dazu hat (je kleiner die Drehzahl) und je schlechter (kleiner) das Verhältnis aus Volumen des Zylinders zu seiner Oberfläche ist. Daraus folgt, dass diese Verluste bei kleinen Hubräumen pro Zylinder größer sind, durch höhere Drehzahl aber kompensiert werden können.

CU Rollo

Wolfgang Allinger schrieb:

"Der Bulldog-Motor wurde ab etwa 1918 entwickelt von dem Ingenieur Dr. Fritz Huber (* 8. März 1881; ? 14. April 1942). Von ihm stammt der legendär gewordene Satz: Ein Schlepper kann nicht einzylindrig genug sein." Quelle:

Hatte Toyota in den 80ern nicht mal einen Lancruiser mit 4l-4-Zylinder Diesel?

Gruß, Ralf.

Ralf Kusmierz schrieb:

Das bei rotierenden Massen die Kräfte quadratisch mit der Drehzahl wachsen ist bekannt, aber abgesehen von der Kurbelwelle dominieren die oszillierenden Bewegungen. Wieso sollen die quadratisch mit der Geschwindigkeit wachsen?

Ähm? Das stimmt nur, wenn man nach den Regeln der Ähnlichkeitsmechanik alle drei Dimensionen skaliert. Diese Vorassetzung (von der bisher niemand etwas wußte) solltest Du schon einführen. Hier ging es allerdings um Konzepte, auf die diese Skalierungsvoraussetzung nicht zutrifft.

Oh, je! Das stimmt nur für thermodynamische Modellprozesse (Kreisrozesse) und da schneidet der Otto-Prozess bei gleicher Verdichtung besser ab als der Diesel-Prozess.

Im realen Motor nimmt der Reibmitteldruck überproportional mit dem indizierten Mitteldruck zu, so dass irgendwann der Break-Even-Point eine weitere Drucksteigerung nicht mehr in besseren Motorwirkungsgrad umsetzt.

Hast Du mal über das Volumen-/Oberflächenverhältnis und die damit verbundene Wärmeabfuhr über die Zylinderwände nachgedacht? Und dass die Verbrennungszeit derzeit nur bei Dieseln ein Problem ist?

Na, egal.

Gruß, Ralf.

ist ja keine glaubensfrage, sondern nachlesbar, wenn man noch nie im fernsehen den onkel mit der gasflasche gesehen hat, der beim rennen nachfuellen muss :)

im pdf ist ab seite 45 ein schick bebilderter ueberblick.

Hallo Nick

New Sulzer Diesel ( Wärtsilä ) baut einen mit Zylinderdurchmesser 960 mm, soweit bekannt der grösste Dieselmotor. Hub 2500 mm, Drehzahl 100 U/min, bei 14 Zylindern kommen da 106'000 PS zusammen.

Georg

Roland Damm schrieb:

Hallo,

allerdings muß das Gasgemisch im Zylinder auch genug Zeit zum Verbrennen haben sonst leidet der Wirkungsgrad, allzu hohe Drehzahl ist auch wieder schlecht. Der alte Lanz Diesel Traktor mit nur einem Zylinder hatte zwar keine gute Laufruhe, aber keine Verluste durch viele kleine Zylinder.

Bye

Dann hat F.P. das von dem übernommen/abgewandelt oder umgekehrt?

Keine Ahnung. Ich hab noch was in meinem Hinterkopf von einem 3,2l 4cyl Diesel. Drum schrieb ich ja Otto Sauger :-)

Saludos Wolfgang

Moin,

frank paulsen schrub:

Ach so, eine Gasdruckfeder als Ersatz für die Ventilfeder, gut, das mag sein. Ich dachte ein einen pneumatischen Ventilantrieb, weil von 'keine Nockenwelle mehr' die Rede war.

CU Rollo

Das ist bei Hochleistungsmotoren eher ein Platzproblem als eines mit den Federn. Auch die Desmodromische Steuerung braucht eine Hilfsfeder um Spile auszugleichen.

Nick

Ich hab zumindest mal Bilder von einen Motor von Vaneo gesehen, der hatte keine Nockenwellen mehr. Die Ventile wurden elektrisch betätigt. War IIRC 2005 oder 2006.

Ich finde keine belastbaren Quellen (mehr), dass die neueren F1 Motoren keine Nockenwellen mehr haben. s.u.

Nach meinem Wissensstand sind die Federn komplett entfernt und durch Druckluftkolben ersetzt worden. Praktisch so eine Art Gasfeder. Da brauchste nur die Luft zu ersetzen, die als Leckage rausgeht. Also fast nix. Die Pressluftflaschen, die ich zuletzt in/für F1 gesehen habe, hatten locker 2l Volumen. Also viel zuviel für den Ersatz der Leckage.

Angeblich haben einige Motoren noch eine kleine mechanische Feder drin, die verhindern soll, dass die Ventile bei einem stehenden Motor ohne Luftdruck nach unten fallen. Macht aber eigentlich wenig Sinn, wenn man vor dem Start des Motors für Luftdruck sorgt.

[disclaimer] Wie gesagt, nix genaues weiss ich auch nicht, da mich die Teams noch nie eingeladen haben, um einen F1 Motor zu inspizieren :-(

Warum? Was hat das Öl (abgesehen von der Schmierung) mit der Ansteuerung/Feder zu tun?

Saludos Wolfgang

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Ralf Teschenbaum schrieb:

Immerhin...

Weil die Hubbewegung im wesentlichen der Sinus des Kurbelwellenwinkels und daher der Drehzahl proportional ist?

Der Hub ist im wesentlichen immer quadratisch, um den Werkstoff gut auszunutzen. (Für die Abschätzung kommt es dabei auf Kurz- oder Langhuber nicht an.) Damit stimmt die Annahme automatisch.

Nun verträgt der Diesel aber deutlich höhere Spitzendrucke als der "Otto", weil er nicht zum Klopfen neigt.

Reale Motoren werden aber in realen Einsatzbereichen betrieben, in denen der Dieselwirkungsgrad nun einmal besser ist.

Könnte sein.

Weshalb man Benziner problemlos mit 50.000 /min drehen läßt?

Hast Du mal darüber nachgedacht, konstruktive Beiträge im Usenet zu verfassen?

Gruß aus Bremen Ralf