Untertourig, Benzinverbrauch, Drehzahl?

[Jo1_a88223]

Hallo Stephan,

das war mir nicht klar. Ich habe das immer anders verstanden und ich glaube mir wurde das auch nicht ganz richtig erklärt. Danke für die fachkundige Aufklärung!

Eine Frage aber noch: Warum stellt man Motoren nicht so ein, dass sie unter Vollast das Benzin gerade so vollständig verbrennen?

Außerdem habe ich mal gehört (in einem TV-Automagazin zum Thema Spritsparend fahren), dass man zum Beschleunigen in einem hohen (aber aus genannten Gründen nicht zu hohem) Gang unter Vollast fahren soll, also das Gaspedal ganz durchtreten und dann aber auch bald möglichst in den nächst höheren Gang schalten und dort wieder Vollast. Das heißt aber doch, dass dabei unverbranntes Benzin durch den Auspuff gejagt wird - das kann noch nicht spritparend sein… ? Haben die Mist erzählt oder habe ich das falsch verstanden ?

Grüße,
Jochen

[Flytrap]

Hallo Jo!

Eine Frage aber noch: Warum stellt man Motoren nicht so ein,
dass sie unter Vollast das Benzin gerade so vollständig
verbrennen?

Das hat im Wesentlichen zwei Gründe:

Erstens kann man durch die Gemischanfettung bei 100% Last noch ein wenig mehr Leistung aus dem Motor herauskitzeln. Für diese ca. 5% Mehrleistung ist man dann bereit einen höheren Verbrauch und schlechtere Abgaswerte hinzunehmen, da ja normalerweise nur selten das Gaspedal bis zum Bodenblech durchgetreten wird.

Der zweite Grund ist etwas komplizierter, und hat mit der Klopffestigkeit des Benzins zu tun. Um einen möglichst guten Wirkungsgrad (und damit auch niedrige Abgastemperaturen) zu erreichen, werden Motoren mit einem möglichst hohen Verdichtungsverhältnis konstruiert. Dieses lässt sich aber nicht unbegrenzt steigern, da es bei Benzinmotoren sonst zum Motorklopfen bzw. -klingeln kommt. Wenn nun erschwingliche Krafstoffe mit bedeutend höheren Oktanzahlen zur Verfügung stünden, könnte man Motoren bauen, die ein so hohes Verdichtungsverhältnis haben, dass die Abgastemperaturen für den Katalysator unschädlich wären.
Da hochoktanige Krafstoffe (mit einem Brennwert, wie wir ihn vom Benzin gewohnt sind) aber nur schwer herstellbar sind, sind diese entsprechend teuer und so ist es wirtschaftlicher, die Abgase (bzw. den ganzen Brennraum) dadurch zu kühlen, das man von vornherein einen geringen Überschuss an Benzin zugibt. Dies ist vor allem auch deswegen vertretbar, da hohe Abgastemperaturen nur bei hoher Last auftreten, während die Motoren doch meistens eher unter geringer Last laufen.

Ein interessanter Aspekt ist dabei aber, dass man sowohl zur Leistungssteigerung, als auch zur Brennraum- und Abgaskühlung auch Wasser einsetzen kann. Bei einigen Fahrzeugen (Oldsmobile Jetfire?) ist dieses Konzept auch schon mal angewandt worden. Zwar wird ein Motor mit dieser Technologie natürlich aufwändiger und teurer, aber mit zunehmender Ressourcenverknappung wird sich die Wassereinspritzung sicherlich auf breiter Basis etablieren können.

Außerdem habe ich mal gehört […], dass man zum Beschleunigen
[…] unter Vollast fahren soll, also das Gaspedal ganz durchtreten
und dann aber auch bald möglichst in den nächst höheren Gang
schalten und dort wieder Vollast.

Das heißt aber doch, dass
dabei unverbranntes Benzin durch den Auspuff gejagt wird

Für die meisten Benzinmotoren: Richtig.

• das
  kann noch nicht spritparend sein… ?

Zumindest nicht optimal.

Haben die Mist erzählt
oder habe ich das falsch verstanden ?

Das ist eben so eine typische Halbwahrheit, die durch Halbwissen entstanden ist. Grundsätzlich ist es sinnvoll mit möglichst hoher Last zu fahren. Die Betonung liegt dabei auf „Grundsätzlich“ und „möglichst“. Wenn man den Kraftstoff optimal ausnutzen möchte liegt die dafür höchst mögliche Last auf Grund der oben genannten (und in dem TV-Bericht vernachlässigten) Effekte bei den meisten Fahrzeugen irgendwo bei ca. 80%.

Deshalb ist es auch sinnvoll beim Beschleunigen das Gaspedal nur zu etwa drei vierteln durchzutreten.
Die optimale Fahrweise musst du aber, wie Peter Falkenberg schrieb, durch „Gefühl“ und Erfahrung herausfinden. Sie ist für jedes Fahrzeug unterschiedlich und natürlich noch mal sehr stark vom Motorprinzip (Benzin oder Dieselmotor, Saugmotor oder Turbo) abhängig.

Gruß

Stefan

[Jo1_a88223]

Hallo Stefan,

super Antwort, vielen Dank!

Das mit den Abgastemperaturen hat mich noch etwas stutzig gemacht. Sind die Verbrennungstemperaturen an den Zylinderwänden echt ein Problem? Liegt das an der Schmierung oder am Metrial? Wäre das besser, wenn statt Eisen/Eisenlegierungen Keramiken zum Motorenbau verwendet würden?

Ist eine Abgaskühlung durch eine Vorwärmung des angesaugten Gases und Benzins möglich und/oder sinnvoll?

Und zu guterletzt: Könnte man Motoren verbrauchsärmer machen durch einen variablen Hubraum (besser: Brennraum), der sich in gewissen Grenzen der Leistungsanforderung anpassen kann? Bringt das nur was, wen auch der Hubweg entsprechend angepaßt wird? (Es geht mir hier eher um die Theorie als um die Möglichkeit einer praktischen Realisation)

Grüße,
Jochen

[Flytrap]

Hallo Jo!

Das mit den Abgastemperaturen hat mich noch etwas stutzig
gemacht. Sind die Verbrennungstemperaturen an den
Zylinderwänden echt ein Problem?

Nein, für die Zylinderwände selbst ist das kein Problem. Es geht dabei mehr darum, dass das Benzin/Luft-Gemisch möglichst kühl bleibt, da es bei hohen Temperaturen eher zur unkontrollierten Verbrennung neigt. (Motorklopfen)
Guck mal hier in der FAQ oder im Internet nach Motorklopfen, Verdichtung und Oktanzahl. Auf den entsprechenden Seiten müssten die Sachverhalte eigentlich recht gut erklärt sein.

Beim Katalysator ist es aber wirklich so dass ab 1000°C die Konversionsrate und Lebenserwartung stark nachlässt, und ab 1200 der Kat dauerhaft beschädigt wird.

Liegt das an der Schmierung
oder am Metrial? Wäre das besser, wenn statt
Eisen/Eisenlegierungen Keramiken zum Motorenbau verwendet
würden?

Keramik wäre bei Benzinmotoren bzw. grundsätzlich bei Motoren mit Fremdzündung (Zündkerze) wahrscheinlich kontraproduktiv, da die Verbrennungswärme aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien kaum abgeführt würde. Folge wären heiße Brennräume in denen sich das Gemisch vor der eigentlichen Zündung selbst entzünden könnte.

Bei Dieselmotoren könnte das allerdings interessant sein. Meines Wissens sind dem Diesel in der Kompression nur durch die (Heiß-)Festigkeit des Werkstoffes Grenzen gesetzt. Hier könnten meiner Einschätzung nach keramische Werkstoffe tatsächlich noch große Fortschritte ermöglichen.

Zylinderlaufbuchsen aus Diamant fänd ich mal interessant. Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, Härte und Abriebfestigkeit. Nachteilig sind allerdings die Fertigungskosten und die Brennbarkeit des Diamants.

Ist eine Abgaskühlung durch eine Vorwärmung des angesaugten
Gases und Benzins möglich und/oder sinnvoll?

Weder noch. Wenn die Ansaugluft wärmer wird, wird auch das Abgas wärmer - und zwar in stärkerem Maße als die Ansaugluft. Letzteres hat auch wieder mit Motorklopfen und Zündwinkelverstellung zu tun. Ein Benzinmotor arbeitet bei Vollast um so effizienter, je kälter die angesaugte Luft ist.
(Dennoch wird man im realen Betrieb die besten Verbrauchswerte immer im Sommer haben, aber das hat andere Gründe…)

Und zu guterletzt: Könnte man Motoren verbrauchsärmer machen
durch einen variablen Hubraum (besser: Brennraum), der sich in
gewissen Grenzen der Leistungsanforderung anpassen kann?

Ich glaube wohl. Alfa Romeo hat wohl mal 'nen Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis rausgebracht. Genaueres bezüglich Funktion und Effizienz kann ich dir aber leider auch nicht sagen.

Bringt das nur was, wen auch der Hubweg entsprechend angepaßt
wird? (Es geht mir hier eher um die Theorie als um die
Möglichkeit einer praktischen Realisation)

Also hier bin ich mir nicht hundertprozentig sicher was du damit meinst. Falls es um lang- bz. kurzhubige Motorenkonzepte geht, da bin ich selbst nicht so firm drin. Ich weiß nur, dass kurzhubige Motoren größere Drehzahlen vertragen, und langhubige - zumindest für Benzinmotoren - meist eine günstigere Brennraumform haben.
Die Reibarbeit pro Kolbenhub müsste bei einem Motor mit Kolbendurchmesser (Bohrung) = Hublänge am geringsten sein.

Gruß

Stefan

[Peter_Falkenberg]

Noch ein paar Kleinigkeiten

oder am Metrial? Wäre das besser, wenn statt
Eisen/Eisenlegierungen Keramiken zum Motorenbau verwendet
würden?

Keramik wäre bei Benzinmotoren bzw. grundsätzlich bei Motoren
mit Fremdzündung (Zündkerze) wahrscheinlich kontraproduktiv,
da die Verbrennungswärme aufgrund der geringen
Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien kaum abgeführt würde.
Folge wären heiße Brennräume in denen sich das Gemisch vor der
eigentlichen Zündung selbst entzünden könnte.

Bei innerer Gemischbildung, sprich: Direkteinspritzung, könnte die Verbrennung dennoch kontrolliert ablaufen.
Der Vorteil von Keramik wäre dann eben dessen geringere Wärmeleitfähigkeit, durch die der Energieverlust durch Abwärme reduziert werden könnte. Ganz klar erfordert die Richtung „heisse“ Brennräume ganz andere Strategien der Abgasreinigung, Zündung, Kraftstoffzusammensetzung, etc.
Leider habe ich dazu bisher keine Fakten gefunden, nur vereinzelte Aussagen, dass Versuchsmotoren aus Keramik bereits laufen sollen.

Bei Dieselmotoren könnte das allerdings interessant sein.
Meines Wissens sind dem Diesel in der Kompression nur durch
die (Heiß-)Festigkeit des Werkstoffes Grenzen gesetzt. Hier
könnten meiner Einschätzung nach keramische Werkstoffe
tatsächlich noch große Fortschritte ermöglichen.

Wenn ein bestimmter Druck und eine bestimmte Temperatur aufgebaut sind, dann entzündet sich der Dieselkraftstoff. Deswegen wird er ja erst zum richtigen Zeitpunkt eingespritzt (Stichwort: Förderbeginn). Mit Benzin hat man das bisher u.a. deswegen nicht gemacht, weil durch die fehlende Schmierwirkung des Benzins vergleichbare Hochdruckpumpen nicht realisierbar waren. Inzwischen laufen einige Benzindirekteinspritzer serienmässig, angefangen hatte Mitsubishi mit dem GDI Motor, jedoch wird auch hier noch in den meisten Betriebszuständen mittels einer Zündkerze gezündet, darüberhinaus arbeitet der Motor im Teillastbereich nach dem Schichtladerprinzip, d.h. nur ein Teil der Luft im Brennraum nimmt an der Verbrennung Teil, anders als beim Diesel.

Und zu guterletzt: Könnte man Motoren verbrauchsärmer machen
durch einen variablen Hubraum (besser: Brennraum), der sich in
gewissen Grenzen der Leistungsanforderung anpassen kann?

Ich glaube wohl. Alfa Romeo hat wohl mal 'nen Motor mit
variablem Verdichtungsverhältnis rausgebracht. Genaueres
bezüglich Funktion und Effizienz kann ich dir aber leider auch
nicht sagen.

Den Alfa kenne ich nicht, aber Saab hatte mal einen Prototypen mit einer dicken Zylinderkopfdichtung aus Gummi vorgestellt (letztes Jahr?) bei dem der Zylinderkopf bei laufendem Motor gegen den Zylinderblock gedrückt werden konnte, um so das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen.

Bringt das nur was, wen auch der Hubweg entsprechend angepaßt
wird? (Es geht mir hier eher um die Theorie als um die
Möglichkeit einer praktischen Realisation)

Eine Variable Verdichtung bringt ebenso wie alle anderen Variablen Kenngrößen rund um den Motor etwas. Im Prinzip erreicht ein Turbolader oder ein Kompressor ja genau dieses, nämlich eine dem Bedarf angepasste Erhöhung der Verdichtung.
Dass z.B. keine variablen Einzelhubräume angewandt werden, liegt nur daran, dass der Bauaufwand und der Energieaufwand für die Verstellung einfach zu hoch sind. Statt dessen gibt es z.B. bei Mercedes die Zylinderabschaltung, d.h. bestimmte Zylinder bekommen keinen Kraftstoff mehr (m.W. bleiben die Ventile auch offen), und verringern somit quasi den Hubraum.

Beste Grüße,
Peter

[Anonym_c9f54fa3301f]

Vielen Dank an alle!!
Ganz herzlichen Dank an alle Beteiligten an dieser Diskussion. Ich wusste gar nicht, dass ich mit meiner Frage einen solch ausgiebigen und informativen Thread anstoßen würde. Superinteressant!

Also, nochmals Danke
sagt
Burkhard

[Flytrap]

Hallo Peter!

Bei innerer Gemischbildung, sprich: Direkteinspritzung, könnte
die Verbrennung dennoch kontrolliert ablaufen.

Jepp, dann muss aber die Gemischbildung wieder äußerst schnell ablaufen, damit ein annähernd homogenes Gemisch verbrennen kann.

Ganz klar erfordert die Richtung
„heisse“ Brennräume ganz andere Strategien der Abgasreinigung,
Zündung, Kraftstoffzusammensetzung, etc.

Wobei meiner Meiner Einschätzung nach Motorenkonzepte auf lange Sicht sowieso eher gegen Selbstzünder/Diesel tendieren werden als gegen Fremdzündung/Otto.
Es gilt ja nicht nur die Wärmeverluste durch Isolierung zu minimieren sondern die Wärme auch möglichst vollständig auszunutzen, und das geht halt nur mit Hilfe eines hohen Verdichtungs- bzw. vielmehr Entspannungsverhältnisses. (Stichwort Miller-Cycle)

Naja und die bei hohen Verdichtungsverhältnissen und hohen Brennraumtemperaturen entstehenden Stickoxide sind ja thermodynamisch ziemlich instabil. Mit einem Katalysator müsste man die doch auch ohne stöchiometrische Verbrennungsbedingungen irgendwie unschädlich machen können.
Was mir bei den ganzen Betrachtungen sowieso immer auf den Senkel geht, ist, dass grundsätzlich immer die Schadstoffkonzentrationen betrachtet werden die aus dem Auspuff kommen, nicht aber die Schadstoffmengen die bei der Verrichtung einer bestimmten Arbeit entstehen.
Ich schätze nämlich mal, dass ein hoch effizienter Motor, der zwar hohe Schadstoffkonzentrationen im Abgas hat, aber dafür eben weniger Abgase produziert, pro geleisteter Kilowattstunde eine geringere Schadstoffmenge ausstößt, als ein weniger effizienter Motor mit saubererem Abgas, der dafür aber wieder größere Abgasmengen produziert.

Natürlich muss noch die Bedeutung eines jeden Schadstoffes abgewogen werden und mit in die Betrachtung einfließen. (Sprich: Was ist schädlicher - CO2 oder NOx)

Mit Benzin hat man das bisher u.a.
deswegen nicht gemacht, […]

Die Problematik mit der Schmierwirkung war mir bisher auch noch nicht bekannt. Aber warum sollte man denn auch selbstzündende Benzinmotoren bauen. Das geht doch mit Diesel eigentlich viel besser, oder hätte Benzin da doch noch einige spezifische Vorteile?

Im Prinzip
erreicht ein Turbolader oder ein Kompressor ja genau dieses,
nämlich eine dem Bedarf angepasste Erhöhung der Verdichtung.

Naja, eigentlich erhöht er ja nur die Druckverhältnisse im thermodynamischen Kreisprozess und damit die Leistung. Das Verdichtungsverhältnis - welches für den Wirkungsgrad ausschlaggebend ist - ändert sich dadurch ja nicht. (Und oftmals ist das Verdichtungsverhältnis bei Turbo-Benzinern deutlich geringer als bei Saugbenzinern)

für die Verstellung einfach zu hoch sind. Statt dessen gibt es
z.B. bei Mercedes die Zylinderabschaltung, d.h. bestimmte
Zylinder bekommen keinen Kraftstoff mehr (m.W. bleiben die
Ventile auch offen), und verringern somit quasi den Hubraum.

Wow! Die haben das echt schon für den normalen Fahrbetrieb realisiert? Ich wusste wohl, das es das bei Ford als „Notlaufprogramm“ bei überhitztem Motor gibt, und dass BMW an einer ähnlichen Technologie arbeitet. Das BMW-Konzept sah dabei vor, dass der Motor keine Nockenwellen mehr haben sollte, und die Ventile statt dessen vollständig über ein elektromagnetisches System bewegt werden sollten, mit völlig frei variierbaren Steuerzeiten.
Damit ließe sich dann sowohl die Einzelzylinderabschaltung realisieren, als auch der Miller-Cycle, bei dem in der Teillast die Einlaßventile auch während des Verdichtungshubes noch (Lastabhängig) eine Zeit lang geöffnet bleiben. Dadurch braucht nicht soviel Kompressionsarbeit aufgewendet werden (dadurch mehr Nutzarbeit bzw. besserer Wirkungsgrad), und die Verbrennung läuft bei deutlich geringeren Temperaturen ab, was sich positiv auf Abgas- und ggf. Klopfverhalten auswirkt.

Hach ja, wenn das schon alles realisiert wäre, bräuchten wir wohl nur noch alle 1000km in den Tank spucken, und gut wärs…

Gruß

Stefan

[Peter_Falkenberg]

Hallo Peter!

Hallo Stefan!

Ich schätze nämlich mal, dass ein hoch effizienter Motor, der
zwar hohe Schadstoffkonzentrationen im Abgas hat, aber dafür
eben weniger Abgase produziert, pro geleisteter Kilowattstunde
eine geringere Schadstoffmenge ausstößt, als ein weniger
effizienter Motor mit saubererem Abgas, der dafür aber wieder
größere Abgasmengen produziert.

Die Menge Abgas ist in engen Grenzen proportional zum Verbrauch, und in der Theorie ist derjenige Motor am effizientesten, der den aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff vollständig zu H₂O und CO₂ verarbeitet.
Mich nervt es übrigens auch, wenn bei Benzin- oder Dieselfahrzeugen über eine Reduzierung des CO₂ Ausstoßes geredet wird, anstatt über den Verbrauch.

Natürlich muss noch die Bedeutung eines jeden Schadstoffes
abgewogen werden und mit in die Betrachtung einfließen.
(Sprich: Was ist schädlicher - CO2 oder NOx)

CO₂ entsteht auch in unserem Organismus als „Abfallprodukt“, Pflanzen brauchen es zum Leben, d.h. nur die hohe Konzentration in der Athmosphäre ist das Problem. NO_x ist meines Wissens nichts als schädlich, und kommt in der Natur so gut wie gar nicht vor, genauso wie CH, welches in x schädlichen Variationen rauskommen kann, CO ist ebenfalls giftig, aber wenigstens die Raucher lieben es .

Aber warum sollte man denn auch
selbstzündende Benzinmotoren bauen. Das geht doch mit Diesel
eigentlich viel besser, oder hätte Benzin da doch noch einige
spezifische Vorteile?

Benzin hat einen höheren Energieinhalt als Diesel, und Dieselmotoren stoßen bei der Drehzahl an die Grenzen der niedrigeren Verbrennungsgeschwindigkeiten, m.W. liegt diese Grenze bei Dieselmotoren unter 6000 U/min, während es Serienfahrzeuge gibt, die locker bis über 14000 U/min drehen. Und über hohe Drehzahlen kann man aus kleinen, leichten Motoren, die theoretisch im Teillastbetrieb minimalen Verbrauch haben könnten, enorme Leistungen herausholen.
Beispiel:
Das übliche 600ccm Straßensportmotorrad erreicht mit ~110 PS dieselbe Spitzenleistung wie ein Golf TDI mit 1900ccm.
Der Motorradmotor dürfte dabei weniger als ein Drittel des Turbodiesels wiegen (leider sind Gewichtsangaben von Motoren schwer zu finden).
Also lohnt es sich hier tatsächlich, nachzuforschen wie Benziner einen höheren Wirkungsgrad erreichen können. Der Smart verfolgt z.B. diese Richtung, aber er kann m.E. den in Japan schon lange üblichen 600er Turbo-Kleinstwägen nicht das Wasser reichen.

Im Prinzip
erreicht ein Turbolader oder ein Kompressor ja genau dieses,
nämlich eine dem Bedarf angepasste Erhöhung der Verdichtung.

Naja, eigentlich erhöht er ja nur die Druckverhältnisse im
thermodynamischen Kreisprozess und damit die Leistung. Das
Verdichtungsverhältnis - welches für den Wirkungsgrad
ausschlaggebend ist - ändert sich dadurch ja nicht. (Und
oftmals ist das Verdichtungsverhältnis bei Turbo-Benzinern
deutlich geringer als bei Saugbenzinern)

Das Verdichtungs_verhältnis_ ist eine statische Größe, die sich aus der Motorgeometrie ergibt (Bennraumvolumen bei UT/ Brennraumvolumen bei OT), die tatsächliche Verdichtung ist ein dynamischer Wert, vollkommen abhängig vom Betriebszustand. Der Turbo sorgt ja dafür, das eine hohe Verdichtung trotz niedrigen Verdichtungsverhältnisses entsteht, gerade deshalb muss ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis gewählt werden, sonst dürfte der Turbo oder Kompressor oder Druckwellenlader etc. ja nie aufladen.
(Es gibt ja auch noch die Boosts, aber die haben mit Effizienz nun wirklich nix zu tun)

Das BMW-Konzept sah
dabei vor, dass der Motor keine Nockenwellen mehr haben
sollte, und die Ventile statt dessen vollständig über ein
elektromagnetisches System bewegt werden sollten, mit völlig
frei variierbaren Steuerzeiten.

Irgendjemand hatte mal behauptet, in der Formel 1 liefe das schon, aber die lassen normalerwiese höchstens Gerüchte raus, um die Gegner einzuschüchtern, vielleicht google ich ja noch 'n bißchen …

Hach ja, wenn das schon alles realisiert wäre, bräuchten wir
wohl nur noch alle 1000km in den Tank spucken, und gut wärs…

Mit einem Miniatur-Fusionsreaktor vielleicht denkbar … *schauder/lechz* ?

Gruß

Stefan

Gruß zurück, werd’ mir mal den Miller-Cycle zu Gemüte führen,
froh hier was dazuzulernen,
Peter