Höchstdrehzahl beim Motor sowie Drehmoment

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#1

Hallo Leute!
ich suche und suche, finde aber nicht wirklich eine Antwort. Und zwar habe ich zwei Fragen:
warum gibt es Benzinmotoren, die nur bis 8000/min, wiederum andere, die bis 12000 und höher/min drehen können? Ich spreche dabei von Kolbenmotoren, Benziner (kein Wankelmotor o.ä. und/oder Diesel). Wovon hängt es ab, wie hoch ein Benzin-Kolben-Motor drehen kann? Und was würde passieren, wenn der Motor keinen Drehzahlbegrenzer hat und überdreht wird?

Meine zweite Frage ist: wie kann man sich die Angabe von dem Drehmoment eines Kolbenmotors veranschaulichen? Es gibt ja viele Angaben (320, 540, etc. Newtonmeter). Kann jemand einen anschaulichen Vergleich anstellen, mit welcher Gewichtskraft beispielsweise ein Kolbenmotor mit 300 Newtonmeter auf die Welle drückt?

Vielen Dank für eure Antworten!

#2

Hallo!

ich suche und suche, finde aber nicht wirklich eine Antwort.
Und zwar habe ich zwei Fragen:
warum gibt es Benzinmotoren, die nur bis 8000/min, wiederum
andere, die bis 12000 und höher/min drehen können?

Also 8000 ist schon ganz schön viel, das ist bei PKW-Motoren ehr die Ausnahme.
12000 wäre dann ehr im Motorsportbereich /Rennwagen usw. zu finden, da geht es aber noch weit höger.

Und was würde passieren, wenn
der Motor keinen Drehzahlbegrenzer hat und überdreht wird?

Das bringt bei normalen PKW-Motoren nicht viel, weil die dann nicht mehr effektiv arbeiten, und bei überhöhten Drehzahlen weniger Leistung haben.

Weiterhin besteht die Gefahr, wenn ein Motor durch irgendwelche Tricks zu hohe Drehzahlen macht, dass die Ventile nicht schnell genug schliessen, und mit dem Kolben zusammenschlagen.
Bei Sport-Motoren wird da üblicherweise einiges umgebaut, also die schweren Hydrostössel gegen leichte, starre Stössel ersetzt, straffere Ventilfedern werden eingebaut, und solche Sachen.
Da kommen dann auch noch andere Nockenwellen rein, die ehr auf hohe Drehzahlen ausgelegt sind. Was man aber bei hohen Drehzahlen an Drehmoment dazugewinnt, verliert mal dann doppelt bei niedrigen Drehzahlen. Bringt also im Alltagsgebrauch nichts, ausser mehr Spritverbrauch.

Meine zweite Frage ist: wie kann man sich die Angabe von dem
Drehmoment eines Kolbenmotors veranschaulichen? Es gibt ja
viele Angaben (320, 540, etc. Newtonmeter). Kann jemand einen
anschaulichen Vergleich anstellen, mit welcher Gewichtskraft
beispielsweise ein Kolbenmotor mit 300 Newtonmeter auf die
Welle drückt?

Ich sage mal, bei 300 Nm ist das ungefähr so, als wenn Du auf der Kurbelwelle waagerecht einen Hebel ansetzt, der 1 m lang ist, und dort 30 Kg Gewicht ranhängst.
Damit kann man sich aber kaum was vernünftiges vorstellen, weil der Motor das halt sehr schnell nacheinander macht.

Am besten mal bei Wikipedia nach Verbrennungsmotor, Drehmoment, Leistung usw. suchen, ehe ich mir hier die Finger wundtippe.
Das ist auch ein etwas komplexer Zusammenhang, der für Laien schwer zu verstehen ist.

Grüße, Steffen!

#3

Ja, danke dir. Das war doch schon sehr aufschlussreich.
Bei wikipedia.de und Co. habe ich schon geschaut, aber das war mir zu abstrakt. Und eine konkrete Antwort, warum die für den Motor ausgelegte Höchstdrehzahl nicht überschritten werden sollte, konnte ich auch nicht finden.

Danke dir nochmal!
MfG

#4

Hallo

warum gibt es Benzinmotoren, die nur bis 8000/min, wiederum
andere, die bis 12000 und höher/min drehen können? Ich spreche
dabei von Kolbenmotoren, Benziner (kein Wankelmotor o.ä.
und/oder Diesel). Wovon hängt es ab, wie hoch ein
Benzin-Kolben-Motor drehen kann? Und was würde passieren, wenn
der Motor keinen Drehzahlbegrenzer hat und überdreht wird?

Kolben von Verbrennungsmotoren haben einen bestimmten Durchmesser und einen bestimmten Hub den der Kolben zurücklegt. Das Verhältnis Bohrung zu Hub bestimmt ob der Motor ein Kurzhub- oder ein Langhubmotor ist. Langhubmotoren haben mehr Hub und einen kleineren Kolbendurchmesser. Diese Motoren sind in der Regel Laufruhiger, spritsparender und drehen mit niedrigerer Drehzahl. Solche Motoren baut man z.B. in Reiselimousinen ein.
Motoren mit einem Bohrungshubverhältnis von 1:1 sind eher unüblich und baut soweit ich informiert bin nur Opel.
Kurzhubmotoren haben wenig Hub und viel Durchmesser. Dies hat den Vorteil, daß man auf die vorhanden Querschnittsfläche größere (bzw. mehr) Ventile unterbringen kann. Dadurch bekommt man einen besseren Gaswechsel hin, da die Abgasse/Frischgase besser ausgetauscht werden können. Diese Motoren sind drehzahlfreudiger, haben meist mehr Leistung sind aber auch durstiger.
Das Problem bei den Drehzahlen sind die Ventilöffnungszeiten. Ventile werden von der Nockenwelle (über Tassenstößel, Kipphebel, Schlepphebel, Stößelstangen oder was auch immer je nach Baufortm OHV, OHC, DOHC etc.) geöffnet und von der Ventilfeder wieder geschlossen. Wenn die Drehzahl zu hoch wird kommt die Feder mit dem Schließen nicht mehr hinterher und das Ventil beginnt zu „flattern“ sogenanntes Ventilflattern. Dann sagt irgendwann der Kolben dem Ventil Hallo und das wars dann. Um dies zu verhindern baut man die Ventile kleiner und dafür mehrere ein 3,4 und 5 Ventiler. Je größer der Bohrungsdurchmesser, desto mehr kleinere und leichtere Ventile kann man einbauen. Das geht aber auch nur bis zu einem bestimmten Grad. Wenn man noch höhere Drehzahlen realisieren will so lässt man die Ventilfedern weg und schließt die Ventile mechanisch das kann man z.B. über einen eigenen Kipphebel mit Schließnocken machen und nennt man Desmodromik (z.B. Mercedes-Benz Rennwagen der 50er Jahre SLR-300 oder ein großteil der Ducati Motorräder). Da dies sehr teuer ist und ein Einstellen der Ventile nur was für geübte ist wird das in der Regel in Serienfahrzeugen nicht unbedingt im großen Stil verbaut.
Bei den Formel 1 Motoren funktioniert das Pneumatisch, wie das allerdings genau realisiert wird entzieht sich meinem Wissen. Formel 1 Motoren drehen im Bereich von ca. 18.000 U/Min.
Wenn man den Hub verkürzt kann man auch die mittlere Kolbengeschwindigkeit reduzieren. Der Kolben hat ja ein gewisses Eigengewicht, daß im Zylinder auf und ab bewegt wird. Diese oszilierende Masse erzeugt im Motor unerwünschte Schwingungen die möglichst klein gehalten werden sollten. Aufgrund dieser oszilierenden Massen baut man auch (fast) keine 8 Zylinder Reihenmotoren, da man bei diesen sehr schnell in den kritischen Frequenzbereich kommt und es zur Resonanzkatastrophe kommen kann.

Meine zweite Frage ist: wie kann man sich die Angabe von dem
Drehmoment eines Kolbenmotors veranschaulichen? Es gibt ja
viele Angaben (320, 540, etc. Newtonmeter). Kann jemand einen
anschaulichen Vergleich anstellen, mit welcher Gewichtskraft
beispielsweise ein Kolbenmotor mit 300 Newtonmeter auf die
Welle drückt?

Rechne es Dir aus, Drehmoment=Kraft*Hebelarm:
Wenn der Motor 60mm Hub hat hat der Hubzapfen eine Höhe von 30mm also 0,03m. Damit kannst Du die Kraft die bei Nenndrehzahl auf die Kurbel drückt berechnen. Du solltest allerdings berücksichtigen, daß ein Motor mit weniger als 6 Zylindern nicht immer ein positives Drehmoment erzeugt. Ein Einzylinder 4-Takter erzeugt auf seinen 720 Grad Kurbelwellenumdrehung nur ca. auf 120 Grad ein positives Drehmoment. Auf dem Restlichen Weg muß er über eine Schwungmasse weitergedreht werden. Erst ab 6 Zylinder verläuft das Drehmoment ausschließlich im Positiven Bereich.

Du hast hier 2 Fragen gestellt, die eigentlich so einfach nicht zu beantworten sind und meine Antwort schneidet das Thema auch nur am Rand an. Ich hoffe das bringt Dir mal einen kleinen Einblick in dieses weitreichende Thema.

Horst

#5

Hi K-Lautern,

auch noch wichtig:
Der normale Verbrennungsmotor arbeitet ja mit einem rel. rabiaten System. Der Kolben bewegt sich einfach vor und zurück.

Je schneller der Motor dreht, desto heftiger sind natürlich die Beschleunigungskräfte (bzw. die Gegenkräfte durch die Trägheit), die auf den Kolben und die Kolbenlagerung wirken.
Diese Kräfte sind direkt proportional mit der Masse des Kolben und der Beschleunigung. (F=m x a)
Wenn Du also die Drehzahl erhöhen willst, musst Du entweder bei gleicher Kolbenmasse die Lagerungen verstärken (teuer oder schwer) oder Du musst die beschleunigte Masse reduzieren (z.B. leichtere Werkstoffe, dünnere Wände … teuer und/oder riskant bzgl. Haltbarkeit) wählen.
Irgendwann ist aber Schluss.

Deswegen ist es z.B. möglich, dass kleine Modellbaumotoren oder niedrigvolumige Motorradmotoren rel. locker 5-stellige Drehzahlen erreichen, ein amerikanischer Bigblock aber bei rel. niedrigen 4-stelligen schon so seine Probleme bekommt. Und ebenso deswegen haben Formel-1-Motoren auch 8-Zylinder und keine 4-Zylinder (den Rennställen wären die alten 10-Zylinder wahrscheinlich noch lieber).

Ein weiteres Thema ist die Schmierung. Je schneller der Kolben bewegt wird, desto schwieriger ist die Aufrechterhaltung der Schmierung zwischen Kolben und Zylinderwand. Übertreibst Dus mit der Geschwindigkeit, kommte es zum Abriss der Schmierung und im worst case zum verschweissen des Kolben/der Kolbenringe mit der Zylinderwand.

Beide Themen führen bei Überdrehen des Motors zur Zerstörung des Motors. Wer mal einen sich selbst zerlegt habenden Motor gesehen hat, ahnt, dass das kein Spass ist. Da kann es den Kolben durch Zylinderkopf und Motorhaube(!) jagen, die Pleuls können brechen, die durchaus massive Kurbelwelle wird verbogen etc. Würde ich nicht riskieren wollen:wink:

Grüße
Jürgen

#6

Hallo,

das Problem bei Hubkolbenmotoren ist halt, dass der Kolben pro Motorumdrehung zwei Mal vom Stillstand beschleunigt und wieder abgebremst werden muss. Das kann aus physikalischen Gründen nicht beliebig oft klappen.
Dazu kommt noch die Haltbarkeit. Je geringer ein Motor dreht, desto länger wird er (wahrscheinlich) halten.
Einen Motor, der z.B. nur 100.000km hält, wird im PKW-Bereich heute kaum jemand kaufen, also müssen die Hersteller Kompromisse eingehen.

Formel-1-Motoren müssen rund 1000km halten, was bis vor ein paar Jahren sogar noch nicht mal der Fall war.

Als Zwischending möchte ich noch Motorräder erwähnen. Die drehen so etwa 10-12000 U/min. Allerdings ist auch hier schon wieder das Problem der Langlebigkeit.

Ganz anders dagegen sind LKW-Motoren. Die Dinger halten „ewig“, drehen aber auch nur so um die 4000 U/min. Im Normalbetrieb eher die Hälfte.

Die Hersteller müssen halt je nach Einsatzzweck den besten Kompromiss aus Leistung, Verbrauch und Langlebigkeit finden.

Beste Grüße
Guido

#7

Hallo Steffen,

Allerdings muss man auch sehen, dass ein so hochgezüchteter Rennmotor alle paar 1’000km zerlegt werden muss.

Alltagstauglichkeit ist halt etwas anderes :wink:

MfG Peter(TOO)

#8

Hallo zusammen,

ich lasse mal die ganze Physik und Technik aussen vor. Vielleicht ein Vergleich aus dem Leben:
stell Dir vor, du läufst (rennst) so schnell Du kannst. Dann haben Deine Beine ihre „Höchstdrehzahl“ erreicht. Und was passiert, wenn Du dann plötzlich an einen Abhang (Berg runter) kommst ? Du stolperst zunächst und fällst dann auf die Schnau…
Gleiches geschieht im Motor: er stolpert und fliegt dann auseinander.

Übrigens mit dem Drehmoment. Drehzahl ist Leistung (PS), Drehmoment ist Kraft. (beim Benziner zumeist grosser Hubraum) Verstanden ?

Gruss Jochen