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Mitteldruck Dieser Artikel befasst sich mit dem von Hubkolbenmotoren für den medizinischen Fachbegriff siehe Arterieller

Mitteldruck

Der Mitteldruck ist eine Rechengröße, um den Wirkungsgrad und den Ladungswechsel von Hubkolbenmotoren unabhängig von Hubraum oder Größe des Motors zu beurteilen. Er ist der Quotient aus der vom Motor bei einem Arbeitsspiel verrichteten mechanischen Arbeit (in Newtonmeter, N·m) und seinem Hubraum (in Kubikmeter, m3). Dabei kürzen sich der Meter im Newtonmeter und ein Meter im Kubikmeter weg, sodass am Ende eine Angabe in Newton pro Quadratmeter (N·m−2 = Pa), also ein Druck, übrig bleibt. Dieser Druck wird meist in Bar angegeben (1 bar = 100000 N·m−2). Der Mitteldruck kann nicht wie zum Beispiel der Kompressionsdruck gemessen werden, sondern ist nur rechnerisch zu ermitteln. Vereinfacht kann das Fahrpedal im Fahrzeug als Stellglied für den Mitteldruck betrachtet werden.

Schematisches p-v-Diagramm des idealisierten Ottoprozesses.
Der Mitteldruck entspricht der durchschnittlichen Höhe der blauen Fläche.

Man unterscheidet zwei Mitteldruck-Formen:

  • Der effektive Mitteldruck lässt sich errechnen aus dem abgegebenen Drehmoment bzw. als Quotient aus der bei einem vollständigen Arbeitsspiel abgegebenen Arbeit an der Kurbelwelle und dem Hubraum :
( ist die Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung: 0,5 bei Viertaktmotoren und 1 bei Zweitaktmotoren. Bei Wankelmotoren wird wegen des über vier Takte laufenden Arbeitsspiels gesetzt und ebenfalls mit dem Arbeitsvolumen gerechnet, das sich aus dem Kammervolumen wie folgt berechnet: , wobei die Anzahl der Scheiben des Wankelmotors ist. Soll beim Wankelmotor der Mitteldruck aus den Kammervolumen anstelle des Arbeitsvolumens berechnet werden, so ist anzusetzen.)
Bei langsamlaufenden Motoren (Dampfmaschinen) konnte man an den Arbeitszylinder ein schreibendes Messgerät (Indikator) anschließen und in dessen Diagramm den Inhalt der vom Druckverlauf umschriebenen positiven Fläche planimetrieren (ausmessen), um so die Größe der indizierten Arbeit zu ermitteln. Heutzutage wird der indizierte Mitteldruck mit elektronischen Messgeräten ermittelt.

Der Quotient der beiden vorgenannten Mitteldrücke heißt mechanischer Wirkungsgrad und steht als dimensionsloses Maß für alle mechanischen Verluste:

Luftverhältnis und Mitteldruck Bearbeiten

Mitteldruck und spezifischer Verbrauch
Diagramm für den Ottomotor
Gemisch unten links "mager", oben rechts "fett"

Ottomotor Bearbeiten

Ottomotoren werden bei einem Luftverhältnis um betrieben. Dies ermöglicht die Abgasreinigung mit dem Drei-Wege-Katalysator. Eine Lambdasonde vor dem Katalysator misst den Sauerstoffgehalt im Abgas und gibt Signale an die Steuereinheit des Gemischreglers weiter. Der Gemischregler hat die Aufgabe, durch die Einspritzmenge das Luftverhältnis in der Nähe von zu halten. Der effizienteste Betrieb stellt sich bei leicht magerem Gemisch von ein. Das höchste Drehmoment (Mitteldruck) wird bei fettem Gemisch von ca. erreicht. Dort stellt sich auch die höchste Zündgeschwindigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Benzin-Luft-Gemisches ein. Jenseits der Zündgrenzen ( für Ottomotoren) ist eine regelmäßige Verbrennung nicht mehr gewährleistet (Verbrennungsaussetzer).

Dieselmotor Bearbeiten

Dieselmotoren arbeiten hingegen bei einem Lambdawert von . Das höchste Drehmoment (Mitteldruck) wird bei fettem Gemisch von ca. wegen der Rußgrenze normalerweise jedoch nicht erreicht. Stattdessen gilt als untere Grenze ein Wert von . Bei Teillast ist die Luftzahl größer als und erreicht im Leerlauf Werte bis etwa 5.

Typische Werte für den Mitteldruck Bearbeiten

Typische Werte für den Mitteldruck
Motorart Bemerkung
Serienmotoren Dieselmotor Aufgeladen Zweitaktschiffsdieselmotor 20 z. B. MAN 5G45ME
Pkw-Hochleistungsmotor 31,5 z. B. BMW B57
2-Liter-Turbodiesel 20,5 z. B. VW EA189
Freisaugend 1,9-Liter-Saugdiesel 8,5 z. B. VW EA188
Ottomotor Aufgeladen Pkw-Hochleistungsmotor 29 z. B. Mercedes-Benz M 133
Freisaugend Pkw-Motor, 4 Ventile pro Zylinder 11,5 z. B. Mazda 2-Liter MZR
Pkw-Motor, 2 Ventile pro Zylinder 10,5 z. B. BMW M20B20
Kradmotor, 4 Ventile pro Zylinder 13,5 z. B. Kawasaki Ninja ZX 600 G
Rennmotoren Ottomotor Aufgeladen Formel-1-Motor, 1980er-Jahre 57 Honda F1 (1987), maximaler Mitteldruck
Freisaugend Formel-1-Motor
3,0 l Zehnzylinder 		15

Trägt man den effektiven Mitteldruck über dem spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Luftzahl des Motors auf, so erhält man bei Ottomotoren die Fischhakenkurve.

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Technikhomepage.de – Die Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine
  2. Honda Power Curves. (PDF; 999 kB) GrandPrixEngines.co.uk, abgerufen am 2. Dezember 2015 (englisch).

Literatur Bearbeiten

  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6
  • Wolfgang Beitz, K.-H. Küttner (Hrsg.): Taschenbuch für den Maschinenbau/Dubbel 15. Auflage, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1983, ISBN 3-540-12418-7
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Veröffentlichungsdatum:
Dieser Artikel befasst sich mit dem Mitteldruck von Hubkolbenmotoren fur den medizinischen Fachbegriff siehe Arterieller Mitteldruck Der Mitteldruck p m displaystyle p text m ist eine Rechengrosse um den Wirkungsgrad und den Ladungswechsel von Hubkolbenmotoren unabhangig von Hubraum V h displaystyle V text h oder Grosse des Motors zu beurteilen Er ist der Quotient aus der vom Motor bei einem Arbeitsspiel verrichteten mechanischen Arbeit in Newtonmeter N m und seinem Hubraum in Kubikmeter m3 Dabei kurzen sich der Meter im Newtonmeter und ein Meter im Kubikmeter weg sodass am Ende eine Angabe in Newton pro Quadratmeter N m 2 Pa also ein Druck ubrig bleibt Dieser Druck wird meist in Bar angegeben 1 bar 100000 N m 2 Der Mitteldruck kann nicht wie zum Beispiel der Kompressionsdruck gemessen werden sondern ist nur rechnerisch zu ermitteln Vereinfacht kann das Fahrpedal im Fahrzeug als Stellglied fur den Mitteldruck betrachtet werden Schematisches p v Diagramm des idealisierten Ottoprozesses Der Mitteldruck entspricht der durchschnittlichen Hohe der blauen Flache Man unterscheidet zwei Mitteldruck Formen Der effektive Mitteldruck p m e displaystyle p me lasst sich errechnen aus dem abgegebenen Drehmoment M displaystyle M bzw als Quotient aus der bei einem vollstandigen Arbeitsspiel abgegebenen Arbeit W e displaystyle W text e an der Kurbelwelle und dem Hubraum V h displaystyle V text h p me 2 p M V h i W e V h displaystyle p text me frac 2 cdot pi cdot M V text h cdot i frac W text e V text h dd i displaystyle i ist die Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung 0 5 bei Viertaktmotoren und 1 bei Zweitaktmotoren Bei Wankelmotoren wird wegen des uber vier Takte laufenden Arbeitsspiels i 0 5 displaystyle i 0 5 gesetzt und ebenfalls mit dem Arbeitsvolumen V h displaystyle V h gerechnet das sich aus dem Kammervolumen V k displaystyle V k wie folgt berechnet V h 2 V k n displaystyle V h 2 cdot V k cdot n wobei n displaystyle n die Anzahl der Scheiben des Wankelmotors ist Soll beim Wankelmotor der Mitteldruck aus den Kammervolumen V k displaystyle V k anstelle des Arbeitsvolumens V h displaystyle V h berechnet werden so ist i n displaystyle i n anzusetzen Der indizierte Mitteldruck p mi displaystyle p text mi entspricht der indizierten Arbeit siehe auch Volumenarbeit am Kolben p mi W i V h displaystyle p text mi frac W text i V text h dd Bei langsamlaufenden Motoren Dampfmaschinen konnte man an den Arbeitszylinder ein schreibendes Messgerat Indikator anschliessen und in dessen Diagramm den Inhalt der vom Druckverlauf umschriebenen positiven Flache planimetrieren ausmessen um so die Grosse der indizierten Arbeit zu ermitteln Heutzutage wird der indizierte Mitteldruck mit elektronischen Messgeraten ermittelt Der Quotient der beiden vorgenannten Mitteldrucke heisst mechanischer Wirkungsgrad und steht als dimensionsloses Mass fur alle mechanischen Verluste h mech p me p mi displaystyle eta text mech frac p text me p text mi dd Inhaltsverzeichnis 1 Luftverhaltnis und Mitteldruck 1 1 Ottomotor 1 2 Dieselmotor 2 Typische Werte fur den Mitteldruck 3 Siehe auch 4 Einzelnachweise 5 LiteraturLuftverhaltnis und Mitteldruck Bearbeiten nbsp Mitteldruck und spezifischer Verbrauch 1 Diagramm fur den OttomotorGemisch unten links mager oben rechts fett Ottomotor Bearbeiten Ottomotoren werden bei einem Luftverhaltnis um l 1 displaystyle lambda 1 nbsp betrieben Dies ermoglicht die Abgasreinigung mit dem Drei Wege Katalysator Eine Lambdasonde vor dem Katalysator misst den Sauerstoffgehalt im Abgas und gibt Signale an die Steuereinheit des Gemischreglers weiter Der Gemischregler hat die Aufgabe durch die Einspritzmenge das Luftverhaltnis in der Nahe von l 1 displaystyle lambda 1 nbsp zu halten Der effizienteste Betrieb stellt sich bei leicht magerem Gemisch von l 1 1 displaystyle lambda approx 1 1 nbsp ein Das hochste Drehmoment Mitteldruck wird bei fettem Gemisch von ca l 0 85 displaystyle lambda approx 0 85 nbsp erreicht Dort stellt sich auch die hochste Zundgeschwindigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Benzin Luft Gemisches ein Jenseits der Zundgrenzen 0 6 lt l lt 1 6 displaystyle 0 6 lt lambda lt 1 6 nbsp fur Ottomotoren ist eine regelmassige Verbrennung nicht mehr gewahrleistet Verbrennungsaussetzer Dieselmotor Bearbeiten Dieselmotoren arbeiten hingegen bei einem Lambdawert von l 1 5 displaystyle lambda 1 5 nbsp Das hochste Drehmoment Mitteldruck wird bei fettem Gemisch von ca l 1 displaystyle lambda 1 nbsp wegen der Russgrenze normalerweise jedoch nicht erreicht Stattdessen gilt als untere Grenze ein Wert von l 1 4 displaystyle lambda 1 4 nbsp Bei Teillast ist die Luftzahl grosser als l gt 1 4 displaystyle lambda gt 1 4 nbsp und erreicht im Leerlauf Werte bis etwa 5 Typische Werte fur den Mitteldruck BearbeitenTypische Werte fur den Mitteldruck Motorart p m b a r displaystyle p text m mathrm bar nbsp BemerkungSerienmotoren Dieselmotor Aufgeladen Zweitaktschiffsdieselmotor 20 z B MAN 5G45MEPkw Hochleistungsmotor 31 5 z B BMW B572 Liter Turbodiesel 20 5 z B VW EA189Freisaugend 1 9 Liter Saugdiesel 8 5 z B VW EA188Ottomotor Aufgeladen Pkw Hochleistungsmotor 29 z B Mercedes Benz M 133Freisaugend Pkw Motor 4 Ventile pro Zylinder 11 5 z B Mazda 2 Liter MZRPkw Motor 2 Ventile pro Zylinder 10 5 z B BMW M20B20Kradmotor 4 Ventile pro Zylinder 13 5 z B Kawasaki Ninja ZX 600 GRennmotoren Ottomotor Aufgeladen Formel 1 Motor 1980er Jahre 57 Honda F1 1987 maximaler Mitteldruck 2 Freisaugend Formel 1 Motor3 0 l Zehnzylinder 15Tragt man den effektiven Mitteldruck uber dem spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhangigkeit von der Luftzahl des Motors auf so erhalt man bei Ottomotoren die Fischhakenkurve Siehe auch BearbeitenKompressionsdruckEinzelnachweise Bearbeiten Technikhomepage de Die Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine Honda Power Curves PDF 999 kB GrandPrixEngines co uk abgerufen am 2 Dezember 2015 englisch Literatur BearbeitenRichard van Basshuysen Fred Schafer Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen Komponenten Systeme Perspektiven 3 Auflage Friedrich Vieweg amp Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH Wiesbaden 2005 ISBN 3 528 23933 6 Wolfgang Beitz K H Kuttner Hrsg Taschenbuch fur den Maschinenbau Dubbel 15 Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1983 ISBN 3 540 12418 7 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Mitteldruck amp oldid 219749051