Hi,
eine Frage zu Motoren: Wieso leistet ein Mehrzylinder mit demselben Hubraum mehr als ein entsprechender Einzylinder? Aus einem 600 cm3 Motor als Einzylinder holt man kanpp 50 PS, ein Vierzylinder schafft das doppelte.
Alex
Moin,
ich denke mal, das hat mit der Drehzahl zu tun. Leistung ist ja proportional zum Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Das Drehmoment ist proportional zum Hubraum, und der ist bei beiden gleich. Ich meine, dass das Drehmoment wenen der höheren Verdichtung im Einzylinder sogar größer ist als im Vierzylinder. Trotzdem: Der Vierzylinder hat kleinere Zylinder und entsprechend leichtere Kolben, der Hub ist mit unter kleiner und damit die max. Kolbengeschwindigkeit bzw. -beschleunigung. Auch möglich, dass die (vollständige) Verbrennung im kleinen Brennraum weniger Zeit braucht. Das alles erlaubt höhere Drehzahlen und ergibt einen größere Maximalleistung.
Bei zu kleinen Zylindern fallen dann aber wieder Reibungsverluste ins Gewicht.
So denke ich mir das jedenfalls.
LG
Jochen
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hi,
hinzu kommt:
wenn du in den deckel einer 600 ml-chappidose 4 große, runde löcher machst (2x einlass, 2x auslass), dann sind die lange nicht so groß, als wenn du in 4 von den kleinen 150 ml whiskasdosendeckel jeweils 2x ein- und auslass bohrst.
alles für den dackel!
pit
Moin!
wenn du in den deckel einer 600 ml-chappidose 4 große, runde
löcher machst (2x einlass, 2x auslass), dann sind die lange
nicht so groß, als wenn du in 4 von den kleinen 150 ml
whiskasdosendeckel jeweils 2x ein- und auslass bohrst.
*ahem* Also das liegt aber daran, daß das Verhältnis Gundfläche/Höhe bei den kleinen Dosen wesentlich größer ist. Dieselbe Anordnung von 4 Rundlöchern in einem Dosendeckel (dieselbe Geometrie) wird immer zu demselben Verhältnis Lochfläche/Deckelfläche führen.
Übersetzung: Gemeint ist das Verhältnis Bohrung/Hub. Die meisten Mehrzylinder weisen ein Verhältnis größer 1 auf. Sie werden deshalb als Kurzhuber bezeichnet. Im Gegensatz dazu sind die meisten 600er Eintöpfe Langhuber.
Die höchste Kolbengeschwindigkeit erreicht ein Kolben exakt in der Mitte zwischen oberem und unterem Totpunkt. Je länger dieser Weg (der Hub) ist, desto höher ist diese Kolbengeschwindigkeit bei gleicher Motordrehzahl. Je höher die Kolbengeschwindigkeit ist, desto höher ist auch der Verschleiß. Es gibt also eine Art vernünftige Grenze für die Kolbengeschwindigkeit. Diese Grenze führt zu höheren möglichen Drehzahlen bei Kurzhubern und geringeren bei Langhubern.
Wie der Blechdosenvergleich zeigen sollte, hat ein Kurzhuber bei gleichem Hubraum eine größere Einlaß- und Auslaßfläche, was sich insbesondere bei hohen Drehzahlen auswirkt, wo es auf rasche Zylinderfüllung und -leerung ankommt. Bei niedrigen Drehzahlen ist eine gute Zylinderfüllung auch bei Langhubern gegeben.
I. a. haben Langhuber bei niedrigen Drehzahlen wesentlich mehr Drehmoment, während Kurzhuber „obenrum“ deutlich überlegen sind.
Diese Ausführungen sind natürlich stark vereinfacht, weil sie beispielsweise den Strömungsmaschinencharakter schnellaufender Viertakter (durch Ventilüberschneidung) nicht berücksichtigen.
Munter bleiben… TRICHTEX
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Hallo Gunther,
sehr gut ausgeführt! Anschlussfrage:
I. a. haben Langhuber bei niedrigen Drehzahlen wesentlich mehr
Drehmoment, während Kurzhuber „obenrum“ deutlich überlegen
sind.
Was aber genau ist der Grund für das höhere Drehmoment? Bei der Füllung der Zylinder mit Gemisch sollte ein kurzhubiger Vierzylinder einem 1-Zylinder-Langhuber eigentlich bei jeder Drehzahl ebenbürtig sein. Kommt das höhere Drehmoment bei niedriegen Drehzahlen und die insgesamt weniger spitze Verlaufskurve lediglich durch die größere Masse (= Trägheit) von Kolben, Pleuel und ggfs. Ausgleichgewicht zustande? Oder ist der lange Weg des Kolbens entscheidend?
Gruß
Hallo Gunther,
sehr gut ausgeführt! Anschlussfrage:
I. a. haben Langhuber bei niedrigen Drehzahlen wesentlich mehr
Drehmoment, während Kurzhuber „obenrum“ deutlich überlegen
sind.Was aber genau ist der Grund für das höhere Drehmoment?
Hebelarm: davon hat ein Langhuber natürlich mehr. (egal wieviele Zylinder er hat)
Bei
der Füllung der Zylinder mit Gemisch sollte ein kurzhubiger
Vierzylinder einem 1-Zylinder-Langhuber eigentlich bei
jeder Drehzahl ebenbürtig sein.
Ein auf Drehmoment ausgelegter Vierzylinder ist das auch.
Kommt das höhere
Drehmoment bei niedriegen Drehzahlen und die insgesamt weniger
spitze Verlaufskurve lediglich durch die größere Masse (=
Trägheit) von Kolben, Pleuel und ggfs. Ausgleichgewicht
zustande? Oder ist der lange Weg des Kolbens entscheidend?
Wenn, dann kommt das kommt nur durch die Auslegung zustande: Da sich wenige, Große Zylinder weniger für hohe Drehzahlen eignen, baut man eben eher niedrigtourige Motoren mit wenigen Zylindern, spart Bauteile, hat i.d.R. weniger Gewicht, durch kleinere Reibflächen und niedrigere Drehzahlen evtl. bessere Verbrauchswerte, und kann schön schmal oder kurz bauen.
Dazu kommt noch der physikalische Grundsatz, dass z.B. eine proportional vergrößerte doppelt so lange Stange zwar das achtfache Gewicht, aber nur die vierfache Querschnittsfläche hat.
Deswegen würden einer Zwei-Meter Monster-Ameise die Beinchen einfach wegknicken.
Überträgst du das auf die rotierenden und oszilierenden Bauteile deines Motors, wird klar, dass der umso schneller drehen kann, umso kleiner die einzelnen Zylinder sind.
Umso mehr Leistung man haben möchte, umso mehr Zylinder nimmt man (wobei Kosten/Nutzenverhältnis/Bauform bei 4 Zylindern für Motorrädern einen optimalen Grenznutzen haben), und legt diese natürlich eher auf Leistung aus, und die lässt sich eben vor allem mit hohen Drehzahlen holen.
Trotzdem sind manch Leistungsstarke Vierzylinder objektiv untenrum kräftiger, als Hubraumgleiche Zwei- oder Einzylinder, auch wenn sich subjektiv der Ein- oder Zweizylinder nach mehr ‚Punch aus dem Drehzahlkeller‘ anfühlt.
Gruß,
Peter
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Moin!
Was aber genau ist der Grund für das höhere Drehmoment?
Hebelarm: davon hat ein Langhuber natürlich mehr. (egal
wieviele Zylinder er hat)
Eben. Das liegt daran, daß ein größerer Hub nur durch einen größeren Abstand der Hubzapfen zur Kurbelwellenmitte erreicht werden kann. Malst Du Dir auf eine rotierende Scheibe einen Punkt in Mittelpunktnähe, wird die Differenz zwischen höchstem und niedrigstem Punkt gering ausfallen. Malst Du einen weiteren Punkt weit außen, dann ist sie natürlich wesentlich größer. Ziehst Du jetzt eine Linie von beiden Punkten zum Mittelpunkt und drehst die Scheibe so, daß eine Linie waagerecht steht (stimmt nicht ganz, ist aber anschaulich), dann wird deutlich, daß dieselbe, senkrecht ausgeübte Kraft bei dem weiter außen liegenden Punkt ein höheres Drehmoment auf den Mittelpunkt ausübt.
Nehmen wir mal an, wir hätten zwei Einzylinder gleichen Hubraumes. Der eine sei ein Kurzhuber (hat also eine größere Bohrung), der andere ein Langhuber. Im Brennraum soll derselbe Druck durch die Explosion entstehen und der Hub des Langhubers sei doppelt so groß, wie der des Kurzhubers. Da die Bohrungsfläche des Langhubers halb so groß wie die des Kurzhubers sein muß, ist die Kraft, die auf das Pleuel ausgeübt wird, beim Kurzhuber doppelt so hoch. Da dessen Hubzapfen aber nur halb so weit von der Rotationsachse der Kurbelwelle entfernt ist, ergibt sich bei beiden Anordnungen dasselbe Drehmoment.
Wirklich? Ja, wenn wir ausschließlich den Druck betrachten. Nun ist - bei gleicher Drehzahl - aber auch die Kolbengeschwindigkeit des Langhubers größer und durch den größeren Umfang des durch den Hubzapfen beschriebenen Kreises auch die Umfangsgeschwindigkeit des Hubzapfens. Zudem ist - gleiche Geometrie vorausgesetzt - sein Pleuel schwerer. Die bewegten Massen üben aber ebenfalls ein Drehmoment aus.
Der Langhuber wird also etwas mehr Drehmoment, als der Kurzhuber haben, aber weniger agil sein. Mehr als ausgeglichen wird das nun nicht durch eine riesige Schwungmasse beim Kurzhuber, sondern durch die größere Ein- und Auslaßfläche, die zwar untenrum nicht viel bringt, aber eben bei hohen Drehzahlen für erheblich mehr Leistung sorgt.
Ein anderer Aspekt: Durch den längeren Hub bei kleinerer Kolbenfläche und geringerer Pleuelkraft ließe sich - gleiche Materialien und gleiche gewünschte Verschleißparameter vorausgesetzt - eine höhere Verdichtung erzielen. Bei modernen Motoren werden allerdings auch schon hohe Verdichtungswerte bei Kurzhubern erreicht. Früher allerdings…
Trotzdem sind manch Leistungsstarke Vierzylinder objektiv
untenrum kräftiger, als Hubraumgleiche Zwei- oder Einzylinder,
auch wenn sich subjektiv der Ein- oder Zweizylinder nach mehr
‚Punch aus dem Drehzahlkeller‘ anfühlt.
Wenn ausschließlich der Motor betrachtet wird, würde ich dem ersten Punkt aus dem Bauch 'raus widersprechen. Mir mangelt es gerade an einem leistungsstarken Vierzylinder, sonst könnte man bei halbwegs gleicher Geschwindigkeit und Drehzahl ab - sagen wir mal - 2000 U/min mal testen, wer beim Beschleunigen wie lange die Nase vorn hat. Der Punkt ist ja auch, daß das Getriebe eines Motorrades mit drehfreudigem Motor anders abgestimmt ist. So ein Motorrad erreicht im ersten Gang ebenso 80 km/h (hey, das ist ein willkürlich angenommener Wert!) bis zum Erreichen des „roten“ Drehzahlbereiches, wie ein eher auf Drehmoment ausgelegtes, nur daß letzteres bis dahin gerade mal die halbe Drehzahl (wieder nur willkürlich angenommen!) erreicht hat.
Lassen wir diese angenommenen Werte einfach mal so stehen, dann würde unser Kurzhuber-Einzylinder aus den obigen Ausführungen bei jeder Geschwindigkeit doppelt so oft zünden, wie der Langhuber - was übrigens der große Vorteil des Zweitakters ist…
Natürlich ist dieses Beispiel aus der Luft gegriffen. Es wird wohl nicht möglich sein, einen Kurzhuber-Vierzylinder und einen Langhuber-Ein- bzw. Zweizylinder zu finden, die sich wirklich vergleichen ließen. Und falls doch, wird das Ergebnis kaum repräsentativ sein.
Übrigens: Aus den Geometrie-, Drehzahl und Druckbetrachtungen ist auch ersichtlich, wo ein schnelldrehendem Kurzhuber den größten Belastungen (Verschleiß) unterworfen ist: Zylinder, Pleuel (ja, Ventiltrieb auch, aber der wurde ja nicht betrachtet). Der Langhuber wird eher im Bereich der Kubelwelle stärker belastet
Natürlich sind diese Ausführungen unvollständig und teilweise meine eigene Meinung.
Munter bleiben… TRICHTEX
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Na jetzt ist ja alles klar. Vielen Dank auch noch mal euch beiden für die ausführlichen Erklärungen!
Gruß