Themen:
- Motordrehmoment
- Motorleistung
- Drehmoment und Leistung messen
- Pferdestärken und Kilowatt
Motordrehmoment:
Das Motordrehmoment ist die Kraft, mit der sich die Kurbelwelle des Motors dreht. Das Drehmoment entsteht aus der Kombination der Verbrennungskraft auf den Kolben und dem Abstand des Kurbelradius. Die Kraft auf den Kolben hängt unter anderem vom Füllungsgrad (Luftmenge) und der Kraftstoffmenge ab und variiert, da sich der Winkel der Kraftübertragung auf den Kurbelzapfen ständig ändert. Daraus können wir den durchschnittlichen Kolbendruck berechnen Indikatordiagramm oder pv-Diagramm erhalten.
In der nächsten Strichzeichnung sehen wir, wie der Kolben durch die Verbrennungskraft (p) nach unten gedrückt wird. Dieser Verbrennungsdruck erzeugt die Kraft F, die Kolbenkraft. Die Kolbenkraft wird über die Pleuelstange (S) auf den Kurbelwellenzapfen (r) übertragen. Dadurch entsteht die sogenannte Tangentialkraft (Ft).
Das Drehmoment wird nach der Formel Ft xr (Tangentialkraft multipliziert mit dem Kurbelradius) berechnet und in Nm (Newtonmeter) ausgedrückt.
Legende:
p = Druck auf den Kolben.
F = die Kraft auf den Kolben
N = Führungskraft
S = Kraft auf die Pleuelstange
r = Kurbelradius
Ft = Tangentialkraft
Aufgrund des unterschiedlichen Verbrennungsdrucks und der Verdrehung des Kurbeltriebs ist auch die Tangentialkraft keine konstante Größe. Wir arbeiten daher mit einer mittleren Tangentialkraft.
Wir können die Tangentialkraft bestimmen, indem wir die Kolbenkraft zerlegen (siehe das Bild unten und die Seite „Kolbenkraft auflösen").
Das Motordrehmoment hängt ausschließlich von der Kraft am Kolben ab, da alle anderen Größen wie der Kolbendurchmesser und der Kurbelradius feste Motordaten sind. Die Kraft auf den Kolben (Fz) wird durch den Verbrennungsdruck (p) kompensiert und ist abhängig vom Füllungsgrad des Motors (bei stöchiometrischem Mischungsverhältnis). Es ist vor allem die Drosselung im Saugrohr, die den Füllstand des Motors bestimmt.
Die stärkste Drosselung wird durch die Stellung der Drosselklappe verursacht. Den größten Einfluss auf das Motordrehmoment hat die Drosselklappenstellung: Denn durch die Veränderung der Drosselklappenstellung beeinflussen wir die Motorleistung. In einem Testaufbau messen wir das maximal abgegebene Drehmoment bei vollständig geöffneter Drosselklappe.
Das Drehmoment ist bei verschiedenen Drehzahlen und Vollgas nicht überall gleich. Aufgrund der wechselnden Gasgeschwindigkeiten und festen Ventilöffnungswinkel ist das Drehmoment nur bei einer bestimmten Drehzahl optimal.
In den Bildern unten sehen wir die Leistungs- und Drehmomentdiagramme von zwei Arten von Dieselmotoren, die in einem BMW 3er (E9x) verwendet werden. Das Drehmoment wird bei beiden Motoren bei ca. 1800 U/min erreicht, ist beim 320d aber deutlich höher als beim 316d. Beide Motoren haben einen Hubraum von 2.0 Litern. Möglich wird das höhere Drehmoment unter anderem durch die Aufladung, Ventile im Saugrohr und das Kennfeld des Motormanagements, das neben dem Drehmoment auch Verbrauch und Abgasemissionen bestimmt.
Motorleistung:
In den Werksangaben wird neben dem Motordrehmoment auch die Motorleistung genannt. Die Motorleistung ist eine Multiplikation des Motordrehmoments mit der Motordrehzahl. Leistung gibt an, wie oft das Drehmoment pro Sekunde abgegeben werden kann. Die offizielle Formel lautet:
Dabei ist P die Leistung in Nm/s oder Watt, M das Drehmoment in Nm und ω (Omega) die Winkelgeschwindigkeit. Für das Paar wird statt M auch der Buchstabe T verwendet.
Da die Winkelgeschwindigkeit (ω) 2 * π * n beträgt, wobei n die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde ist, können wir die Formel wie folgt ändern:
Als Beispiel nehmen wir einen 2.0-Liter-FSI-Vierzylinder-Saugmotor mit vier Ventilen pro Zylinder der VAG (Motorkennbuchstabe: AXW). Natürlich können wir das Drehmoment und die Leistung aus der Grafik ablesen, aber in diesem Abschnitt berechnen wir die Leistung anhand des Drehmoments.
Daten:
- Motordrehmoment: 200 Nm;
- Drehzahl: 3500 U/min = 58,33 U/s.
Gesucht: die bei der gegebenen Geschwindigkeit abgegebene Leistung.
Das Drehmoment und die Leistung bei 3500 U/min betragen 200 Nm und 73,3 kW.
Drehmoment und Leistung messen:
Das Drehmoment ist direkt für die Zugkraft des Autos verantwortlich. Das Drehmoment wird mit dem Übersetzungsverhältnis (i) des Getriebes und der Enduntersetzung multipliziert und durch den belasteten Radius (rb) der angetriebenen Räder dividiert (siehe Seite). Übersetzungsverhältnisse berechnen).
Das Motordrehmoment wird gemessen, indem der Motor bei vollständig geöffneter Drosselklappe bei verschiedenen Geschwindigkeiten abgebremst wird. Durch das Abbremsen des Motors wird die gewählte Geschwindigkeit konstant gehalten. Die Bremskraft des Motors multipliziert mit dem Radius des Messobjekts, auf das die Kraft wirkt, ergibt dann das Motordrehmoment.
Zur Leistungsmessung kann eine Wirbelstrombremse eingesetzt werden. Die Messung erfolgt direkt an der Kurbelwelle. Dabei erzeugen Elektromagnete Wirbelströme in einer Metallscheibe, wobei die Bremskraft durch Messung der Biegung eines Torsionselements ermittelt wird. Bei der Leistungsmessung eines Motors an einer Wirbelstrombremse sind Drehzahl und Drehmoment die Messgrößen. Die Leistung wird durch eine Berechnung ermittelt (siehe vorheriger Absatz).
Die Leistung eines Fahrzeugs kann auch direkt an den Rädern gemessen werden. Es muss jedoch mit Verlusten von bis zu 70 % gerechnet werden. Diese Verluste treten bei der Übertragung auf. Die Achsleistung (die auf dem Leistungsprüfstand an den Rädern gemessene Leistung) wird auch DIN-PS genannt. Die am Schwungrad gemessene Leistung wird als SAE-PS bezeichnet. SAE steht für Society of Automotive Engineers. Der Wert des SAE wird daher immer höher sein als der des DIN.
Die Metallrollen des Prüfstandes sind mit einem Bremsmechanismus verbunden, häufig mit einer Wirbelstrombremse. Die Kraft, mit der die Rollen abgebremst werden, wird zusammen mit der Geschwindigkeit der Räder und der Kurbelwelle gemessen, das abgegebene Drehmoment gemessen und die Leistung berechnet. Die Messung erfolgt üblicherweise im höchsten oder zweithöchsten Gang bei voll durchgetretenem Fahrpedal. Ein Verlust von 15 bis 30 % ist bei Fahrzeugen mit Zweiradantrieb keine Seltenheit. Der Computer des Prüfstands gleicht diesen Verlust aus, indem er misst, wie viel Energie der Prüfstand benötigt, um das Fahrzeug anzutreiben. Bei dieser Messung segelt das Fahrzeug mit getretener Kupplung.
Hersteller bzw. Tuner versuchen, die Drehmomentkurve möglichst flach zu halten, damit das Motordrehmoment über möglichst viele Umdrehungen gleich bleibt. Insbesondere aufgeladene Motoren (Turbo/Kompressor), die das Drehmoment deutlich erhöhen, können auf diese Weise möglichst niveaugeregelt werden. Auch durch die Anwendung füllstandserhöhender Techniken, wie z Mehrventilmotoren, variable Ventilsteuerung oder variabler Ansaugkrümmer der Kopplungsbereich kann möglichst flach gehalten werden.
Wenn wir das Drehmoment bei verschiedenen Drosselklappenpositionen messen würden, würden wir einen Verlauf wie im folgenden Bild erhalten. Eine solche Messung wird jedoch selten durchgeführt.
Pferdestärken (PS) und Kilowatt (kW):
Um die Arbeitsleistung eines Fahrzeugs auszudrücken, werden die Einheiten „PS“ und „Kilowatt“ verwendet. Die Leistung hängt vom Drehmoment pro Sekunde ab. Die Definition von PS stammt aus der Zeit, als der Transport noch mit Pferdefuhrwerken erfolgte. Wenn eine Masse von 75 Kilogramm innerhalb von 1 Sekunde über eine Strecke von 1 Meter gehoben wird, wird eine Leistung von 1 PS abgegeben. 1 PS ist also 75 kg * 1 Meter / 1 Sekunde.
Wenn wir die Leistung in der Einheit Watt betrachten, dann ist 1 Watt eine Multiplikation von 1 Newton * 1 Meter pro Sekunde. Wir kürzen dies mit [1 Nm/sec] ab.
Die in den Niederlanden verwendete Pferdestärke (PS) entspricht exakt der deutschen Pferdestärkte (PS) und der französischen Chaval-Vapeur (CH).
1 PS = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 PS
Die englische/amerikanische Pferdestärke (PS) ist größer.
1 PS = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 PS
Wenn wir Pferdestärken in Watt umrechnen, müssen wir die Masse mit der Erdbeschleunigung multiplizieren: 1 PS = 75 kg/s * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
Um die Leistung eines Motors mit 150 PS umzurechnen, multiplizieren wir die Zahl in kg/Sek. mit der Anzahl der PS. Daraus ergibt sich: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Wir können die Leistung in Watt auch in PS umrechnen. Wir machen das wie folgt: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 PS. Ein Motor mit einer Leistung von 92 kW leistet nach der Berechnung: (1 * 92) / 0,736 = 125 PS.
