kritische Kolbengeschwindigkeit

[JuTu]

@JuTu: die Diesel drehen aber nicht bis 8.000/min. und schaffen keine 340 PS, ich durfte den S38 (E34 M5) einmal in einem E30 Cabrio erleben, ich hab tagelang im Kreis gegrinst

 

 

Moin,

 

gern nochmals:

 

PS / kW ist ein mathemathisches Rechenergebnis "ohne besondere technische Bedeutung", ausser am Stammtisch.

 

Beispiel:

Ein Motor mit 300Nm bei 7.000 1/min hat mehr PS / kW als ein Motor mit 300Nm bei 5.000 1/min, weil sich die PS / kW aus Drehmoment & Drehzahl errechnen.

Wer besser für welchen Verwendungszweck geeignet ist kann man sich denken.

 

Der erste ist ein Sportmotor mit eingeschränkter Alltagstauglichkeit, der zweite ist ein Alltagsmotor mit eingeschränkter Sporttauglichkeit.

 

Richard

 

Richard, um mal etwas klarzustellen: hier geht es nicht um irgendwelche Serienentwicklungen oder dergleichen, sonder um einen Motor sportlichen Charakter zu verpassen.

 

Das habe ich auch so verstanden (bin ja (noch) nicht ganz verblödet).

 

Nur gehört zur Gesamtabstimmung des Fahrzeuges, dass das Getriebe / Endübersetzung angepasst werden muss; was nutzt eine Kreissäge (Rallye-Ausdruck für hochdrehende Motoren) wenn die Übersetzung selbst im vorletzten Gang das Fahrzeug nicht über 5.500 1/min drehen lässt.

 

Bzw. haben die normalen 5Gang Getriebe eine viel zu grosse Spreizung um nach solchen Umbauten wirklich Fahrspass zu bereiten. Dann bitte gleich ein "enges" GETRAG 1:1 Getriebe.

 

Richard

[dancing_homer_99]

klar, das Gesamtsystem muss aufeinander abgestimmt sein.

[derAlex]

..das ist mir auch klar. Aber ich werde erstmal sehen, dass ich den Motor gebaut bekomme. Wenn er dann jemals fertig ist und ich weiß wie er läuft mache ich mir Gedanken um Getriebe und Co., da gibt es ja auch ne Menge Möglichkeiten (theoretisch auch mit 6 Gängen [alles eine Frage des Geldes]).

 

Macht es eigentlich einen großen Unterschied, ob man bei 88mm Hub 135mm oder 140mm Pleuel verbaut? Ich weiß, die 140er wären besser aber ist der Unterschied gravierend?

 

..ach ja, die Alltagstauglichkeit ist nicht wirklich eingeschränkt, wenn man sich erstmal an die höheren Drehzahlen gewöhnt hat

[JuTu]

 

Macht es eigentlich einen großen Unterschied, ob man bei 88mm Hub 135mm oder 140mm Pleuel verbaut? Ich weiß, die 140er wären besser aber ist der Unterschied gravierend?

 

 

Nix für Ungut, aber lies Dir die Frage bitte nochmals genau durch.

 

Was passiert, wenn das Pleuel 5mm länger als "ein anderes" ist? (ich gehe mal davon aus, dass Du die Abstände Mitte-Augen meinst)

 

Richard

[derAlex]

Wenn du auf die Verdichtung oder den Abstand Kolben - Kopf aus bist, so wird das durch die 5mm Pleuel nichts ändern. ..es handelt sich um 2 verschiedene Kolben mit unterschiedlichen Kompressionshöhen.

 

Es geht mit um den Winkel zwischen Kolben und Pleuel.

[JuTu]

Wenn du auf die Verdichtung oder den Abstand Kolben - Kopf aus bist, so wird das durch die 5mm Pleuel nichts ändern. ..es handelt sich um 2 verschiedene Kolben mit unterschiedlichen Kompressionshöhen.

 

Es geht mit um den Winkel zwischen Kolben und Pleuel.

 

Alles klar, aber das hattest Du nicht dazu geschrieben.

 

Ist das Pleuel länger kann ein Kurzhemdkolben genutzt werden (leichter) , aber deutlich höherer Verschleiss aufgrund weniger Führung der Kippmomente.

 

Richard

[dancing_homer_99]

Wenn du auf die Verdichtung oder den Abstand Kolben - Kopf aus bist, so wird das durch die 5mm Pleuel nichts ändern. ..es handelt sich um 2 verschiedene Kolben mit unterschiedlichen Kompressionshöhen.

 

Es geht mit um den Winkel zwischen Kolben und Pleuel.

 

Alles klar, aber das hattest Du nicht dazu geschrieben.

 

Ist das Pleuel länger kann ein Kurzhemdkolben genutzt werden (leichter) , aber deutlich höherer Verschleiss aufgrund weniger Führung der Kippmomente.

 

Richard

 

öhm, je kürzer das Pleuel ist, um so höher ist die Reibung bzw. der Verschleiß!

[JuTu]

Wenn du auf die Verdichtung oder den Abstand Kolben - Kopf aus bist, so wird das durch die 5mm Pleuel nichts ändern. ..es handelt sich um 2 verschiedene Kolben mit unterschiedlichen Kompressionshöhen.

 

Es geht mit um den Winkel zwischen Kolben und Pleuel.

 

Alles klar, aber das hattest Du nicht dazu geschrieben.

 

Ist das Pleuel länger kann ein Kurzhemdkolben genutzt werden (leichter) , aber deutlich höherer Verschleiss aufgrund weniger Führung der Kippmomente.

 

Richard

 

öhm, je kürzer das Pleuel ist, um so höher ist die Reibung bzw. der Verschleiß!

 

Das erkläre doch mal bitte, warum ein "hoher" Kolben mehr Verschleiss haben sollte als ein "kurzer" Kolben.

 

Richard

[vokuhila]

...

 

Ist das Pleuel länger kann ein Kurzhemdkolben genutzt werden (leichter) , aber deutlich höherer Verschleiss aufgrund weniger Führung der Kippmomente.

 

Richard

 

Das kann ich so nicht unkommentiert stehen lassen.

 

Wenn ein Kolben weniger Kompressionshöhe hat und damit ein längeres Pleuel ermöglicht, dann bedeutet das nicht zwangsläufig auch dass der Kolben ein kürzeres Kolbenhemd hat, er kann ein kürzeres haben, muss aber nicht, denn das steht nicht in direktem Zusammenhang. Es werden auch keine superleichten Spezialkolben sein, sondern irgendwelche Serienteile.

 

Und um die ganze Diskussion mal etwas zu entschärfen : die Hälfte vom Motor (ent)steht eh bei mir und das wird deswegen auch nicht schief gehen.

 

Hinweise für Anfänger sind also unnötig

 

Leider konnte ich das Projekt nicht so ganz in die Richtung lenken, die ich hätte gerne haben wollen, aber die derzeitigen Voraussetzungen sind nunmal gegeben. Das bedeutet, es wird ein Zahnriemenmotor bei dem die Kurbelwelle mit 90mm Hub nicht so richtig zu adaptieren geht, deswegen kommt die Welle mit 88mm Hub zum Einsatz.

 

Ein Zahnriemenmotor hat natürlich im Gegensatz zum Kettenmotor den Vorteil, dass man hier den Kopf höher (mit Platte bzw. dicker Dichtung) oder tiefer (mit Block fräsen) setzen kann, weil es sehr einfach ist, die ZR-Länge unterzubringen wenn der Spannbereich an die Grenzen kommt. Kleinere oder größere Umlenkrollen bringen das auf ganz einfache Weise wieder ins Lot. Da es keinen Kettenkasten gibt, wird es auch hier viel einfacher, man muss sich nicht um dickere oder dünnere Profildichtungen kümmern oder den Kopf gestuft ausführen, da es nur einen runden Wasserkanal ausserhalb der Kopfdichtung gibt, ist es auch hier sehr einfach mit der Abdichtung.

 

Bei den 88mm Hub sind 140mm Pleuel dann schon in der Diskussion, denn bei den gängigen Kompressionhöhen der in Frage kommenden Kolben liegt es zwischen Block fräsen und 135-er Pleueln oder dicker Dichtung und 140-er Pleueln. Es geht im Moment mehr darum, ob man sich mit rund 2,05-Litern also 86mm Bohrung und 135-er Pleueln und einer einfach beschaffbaren 1,9-er Serienkopfdichtung zufrieden gibt oder ob die 2,1-Liter nahezu voll gemacht werden, was aber 87mm Bohrung bedeutet und damit eine spezielle Kopfdichtung, die es dann aber auch in "dick" gibt womit dann auch 140mm Pleuel bei den ins Auge gefassten 87mm Kolben drin wären.

 

Ich schreib das nur, damit ihr mal den Zusammenhang versteht.

Bearbeitet: 24. Juni 2012 von vokuhila

[JuTu]

Moin,

 

ich ging halt davon aus, dass auch ultraleichte Kurzhemdkolben zum Einsatz kommen sollen; Bei so hoch drehenden Motoren sollten die Massen halt möglichst niedrig sein.

 

Richard

[derAlex]

genau darum geht's, da hat mir der Gert das Schreiben erspart

 

..nee, keine ultraleichten Sportkolben, aber auch keine schweren M30 Klopper, leichte Serienkolben. Die Serien-M40 Kolben haben die Drehzahl auch abgehalten, aber eben mit weniger Hub. Dabei fällt mir jetzt erst auf, dass ich selbst damit bei den 20m/s angekommen bin..

 

das wird schon werden..

[dancing_homer_99]

Wenn du auf die Verdichtung oder den Abstand Kolben - Kopf aus bist, so wird das durch die 5mm Pleuel nichts ändern. ..es handelt sich um 2 verschiedene Kolben mit unterschiedlichen Kompressionshöhen.

 

Es geht mit um den Winkel zwischen Kolben und Pleuel.

 

Alles klar, aber das hattest Du nicht dazu geschrieben.

 

Ist das Pleuel länger kann ein Kurzhemdkolben genutzt werden (leichter) , aber deutlich höherer Verschleiss aufgrund weniger Führung der Kippmomente.

 

Richard

 

öhm, je kürzer das Pleuel ist, um so höher ist die Reibung bzw. der Verschleiß!

 

Das erkläre doch mal bitte, warum ein "hoher" Kolben mehr Verschleiss haben sollte als ein "kurzer" Kolben.

 

Richard

 

 

ob hoher Kolben oder niedriger Kolben ist eigtl scheißegal, da Kolben ein Schliffbild haben und eben nur mit einem sehr geringen Teil,wenn überhaupt, an der Zylinderwand anliegen. Vermess mal einen Kolben, dann weißt du was ich mein.

 

Mir ging es hauptsächlich um die Pleuellänge.

Und mit ein bisschen Trigonometrie lässt sich erklären, warum man möglichst lange Pleuel einsetzen will.

http://th-privat.de/tmp/KolbenMotor.gif

Verstehst dus, oder soll ich weiter erklären?

[JuTu]

genau darum geht's, da hat mir der Gert das Schreiben erspart

 

..nee, keine ultraleichten Sportkolben, aber auch keine schweren M30 Klopper, leichte Serienkolben. Die Serien-M40 Kolben haben die Drehzahl auch abgehalten, aber eben mit weniger Hub. Dabei fällt mir jetzt erst auf, dass ich selbst damit bei den 20m/s angekommen bin..

 

das wird schon werden..

 

Womit wir wieder am Anfang sind.

 

Kolben haben NICHTS mit der mittleren Kolbengeschwindigkeit zu tun.

 

Richard

[derAlex]

hm, sieht so aus, als müsse ne dicke Cometic her ..nee, brauchst' nicht weiter ausführen, hab's verstanden..

[maschine]

Auch wenn es Kolben bis 500m/s gäbe......die Verbrennungsgeschwindigkeit für Ottokraftstoffe in Motoren beträgt max. (Rennmotoren mit besonderer Gemischaufbereitung ausgenommen, dort max. 30m/s) 25m/s.

 

hier muss ich mal korrigieren, weil das (und damit die folgende diskussion) falsch ist.

 

erstmal etwas zur flammengeschwindigkeit im brennraum:

 

diese berechnet sich als v=s/t

 

v=flammenfrontgeschwindigkeit (m/s)

s=kolbenhub (m)

t=die zur verfügung stehende zeit zur ausbreitung (=verbrennung) in (s)

 

kolbenhub dürfte klar sein, also schauen wir, wie viel zeit dem motor bei ca. 6000 1/min für einen verbrennungsvorgang bleiben. angenommen, die verbrennung dauert 60°KW, dann dauert die verbrennung ca. 1,67ms!

 

für die flammenfrontgeschwindigkeit ergibt sich nach obiger formel ein wert von knapp 30m/s! diesen wert sollte man gleich mal vergessen, denn die 30m/s würden in einem ruhigen system gelten, wo sich die flamme (also geordnet) ausbreiten kann und hier liegt der denkfehler...

 

im motor liegt eine höchst turbulente strömung vor, weil dadurch der liefergrad erhöht wird, bei saugmotoren das luft-kraftstoffgemisch nach passieren von drallkanälen wild durchmischt wird um eine sauberere und effizientere verbrennung (thema verbrauch) zu gewährleisten. das kennen wir ja alle hoffentlich.

 

der entscheidende punkt ist aber, dass zu den 30m/s noch ca. 60-100m/s an einlassströmungsgeschwindigkeit dazu kommen, weil luft oder das kraftstoff-luft gemisch angesaugt wird und durchs ventil geschossen kommt! bei turbogeladenen motoren durch den ladedruck ist dieser effekt entsprechend stärker.

 

da kommt dann der zusammenhang zwischen kolbengeschwindigkeit und der einlassströmungsgeschwindigkeit ins spiel, denn es gibt ihn:

 

einlassströmungsgeschwindigkeit = kolbengeschwindigkeit * (kolbenfläche/ventilöffnungsfläche)

 

(bitte macht nicht den fehler um die fläche vom ventilteller zu nehmen, das ist was ganz anderes...es geht bei der ventilöffnungsfläche nur um die mantelfläche, die sichtbar wird, wenn das ventil offen steht, abzüglich eines alpha-wertes, welcher als strömungsverlust gegen wirkt und nur experimentell ermittelt werden kann.)

 

ende vom lied:

 

zur flammenfrontgsgeschwindigkeit kommt noch die einlassströmungsgeschwindigkeit hinzu und damit hängt - grob gesagt - die kolbengeschwindigkeit nicht von der flammenausbreitungsgeschwindigkeit ab, sondern umgekehrt (siehe letzte formel).

 

warum ist die mittl. kolbengeschwindigkeit nun limitiert? man möchte die massenkräfte gering halten und aus einer hohen kolbengeschwindigkeit folgt eine hohe motordrehzahl, natürlich bei gleichen geometrischen bedingungen.

 

mit steigender motordrehzahl holt man sich, wie im ersten post erwähnt, andere probleme ins haus: schmierung, kühlung, strömungswiderstände steigen, massenkräfte, reibkräfte und irgendwann geht es auch um kosten und sinn solcher maßnahmen. jede 100 1/min, die man einem hochdrehzahlmotor noch on top gibt, wird man im unteren oder mittleren drehzahlbereich an durchzug - tendenziell - einbüßen. hier kann man von der motorradentwicklung extrem viel lernen, will man gute sauger bauen.

 

das sieht man beim S2000-motor, der größtenteils von yamaha entwickelt wurde. ein fantastischer motor, aber eben nicht untenrum........das macht ein S54 (M3 E46, Z4M) deutlich besser. der ist für einen sauger untenrum sensationell stark.

 

sind eigentlich alle M-Motoren aus der saugerzeit......

[dejawu]

der entscheidende punkt ist aber, dass zu den 30m/s noch ca. 60-100m/s an einlassströmungsgeschwindigkeit dazu kommen, weil luft oder das kraftstoff-luft gemisch angesaugt wird und durchs ventil geschossen kommt! bei turbogeladenen motoren durch den ladedruck ist dieser effekt entsprechend stärker.

 

was für me rolle spielt die einströmgeschwindigkeit wenn das gemisch fertig komprimiert bei geschlossenen ventilen auf die zündung wartet? wir reden hier ja von vietaktern...

[dancing_homer_99]

turbulenz ist hier das stichwort!

[maschine]

der entscheidende punkt ist aber, dass zu den 30m/s noch ca. 60-100m/s an einlassströmungsgeschwindigkeit dazu kommen, weil luft oder das kraftstoff-luft gemisch angesaugt wird und durchs ventil geschossen kommt! bei turbogeladenen motoren durch den ladedruck ist dieser effekt entsprechend stärker.

 

was für me rolle spielt die einströmgeschwindigkeit wenn das gemisch fertig komprimiert bei geschlossenen ventilen auf die zündung wartet? wir reden hier ja von vietaktern...

 

ganz einfach: im ansaugtakt strömen die gase mit den erwähnten 60-100m/s in den brennraum und bleiben im verdichtungstakt selbstverständlich verwirbelt, ehe sie - immer noch in starker bewegung - entzündet werden. die obere grenze für die flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist also die kolbengeschwindigkeit selbst, denn der kolben begrenzt schließlich den brennraum, in dem sich die gase wild in alle richtungen ausbreiten.

 

moderne diesel leben von tumble/swirl-kanälen...ansonsten auch hier ein gutes beispiel auf seite 7:

http://www.volkspage.net/technik/ssp/ssp/SSP_198.PDF

[mahony]

Die Kolbengeschwindigkeit (besonders die mittlere) sind eigentlich völlig irrelevant - was die Komponenten an ihre Grenzen bringt ist immer noch die Kraft die auf ein Bauteil wirkt und die wiederum ist abhängig von Masse und Beschleunigung (also änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit) ... im hab mal ein Excel-Sheet angehängt wo die Zusammenhänge grob (also ohne Reibung, Kompressionsdruck, Druck druch verbrennende Gase) aufgezeigt sind.

 

Die Screenshot zeigen mal expemplarisch einen M20 (bitte nicht auf die Werte festnagel - war aus dem Kopf) bei 6500 und 7400 Umdrehungen - man sieht, das die mittlere Kolbengeschwindigkeit nur um 2m/s hochgeht - die maximale Kolbengeschwindigkeit steigt aber schon um 4m/s - noch schlimmer ist es bei der Beschleunigung und damit der maximalen Kraft, die gehen um ca. 30% nach oben von knapp 16kN auf über 20kN ...

Kolbengeschwindigkeit.xls

[maschine]

Die Kolbengeschwindigkeit (besonders die mittlere) sind eigentlich völlig irrelevant - was die Komponenten an ihre Grenzen bringt ist immer noch die Kraft die auf ein Bauteil wirkt und die wiederum ist abhängig von Masse und Beschleunigung (also änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit) ... im hab mal ein Excel-Sheet angehängt wo die Zusammenhänge grob (also ohne Reibung, Kompressionsdruck, Druck druch verbrennende Gase) aufgezeigt sind.

 

Die Screenshot zeigen mal expemplarisch einen M20 (bitte nicht auf die Werte festnagel - war aus dem Kopf) bei 6500 und 7400 Umdrehungen - man sieht, das die mittlere Kolbengeschwindigkeit nur um 2m/s hochgeht - die maximale Kolbengeschwindigkeit steigt aber schon um 4m/s - noch schlimmer ist es bei der Beschleunigung und damit der maximalen Kraft, die gehen um ca. 30% nach oben von knapp 16kN auf über 20kN ...

 

gute übersicht!

 

"nebenbei" fahre ich noch einen S54 und wenn ich da so von tunern sehe, wie sie um per chiptuning einige PS rausholen wollen, aber immer noch behaupten, der motor könnte diese 3-400 1/min on top locker verkraften, dann haben sie schlicht unrecht, weil die massenkräfte schnell durch die decke gehen (wie dein vergleich auch zeigt).

 

deshalb ist die kolbengeschwindigkeit nur ein nebenprodukt (um nicht zu sagen abfallprodukt) aus der entwicklung des brennraums und des kurbeltriebs. ich bin daher lieber für leichte komponenten, weil sie drehfreudige von trägen motoren unterscheiden und das ansprechverhalten direkt beeinflussen.

 

schließlich wollt ihr ja keinen eta fahren, wie ich.