Weniger Hubraum = geringere Reibung im Motor? Effizienzvergleich unter Volllast

Dieses Thema im Forum "Allgemeines" wurde erstellt von Lord Arakhor, 24.08.2012.

  1. #1 Lord Arakhor, 24.08.2012
    Lord Arakhor

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    Oft kann man ja lesen das ein hubraumkleinerer Motor einen Teil seines Verbrauchsvorteils auch aufgrund geringerer inntermotorischer Reibung erzielt.

    Hat irgendjemand eine Ahnung wie groß der Unterschied ist?

    Ich habe nämlich mal ein bisschen mit Calc (wie Excel) rumgespielt und und bilde mir ein das ab einer gewissen Leistunganforderung die größere Maschine weniger Sprit benötigt als die kleinere, also eine gegebene Leistung effizienter erzeugt.

    Meine Vergleichsmotoren:

    Focus MK 1 - Otto

    1,8 Liter Zetec-E
    Hubraum: 1756 ccm
    Zylinder: 4
    Ventile: 16
    Nennleistung bei Nenndrehzahl: 115 PS bei 5500 UPM
    Literleistung: 64 PS
    Max Drehmoment bei Drehzahl: 160 NM bei 4400
    Verbrauch lt. Spritmonitor: 8,47 Liter


    1,6 Liter Zetec-SE
    Hubraum: 1596 ccm
    Zylinder: 4
    Ventile: 16
    Nennleistung bei Nenndrehzahl: 101 PS bei 6000 UPM
    Literleistung: 63 PS
    Max Drehmoment bei Drehzahl: 145 NM bei 4000
    Verbrauch lt. Spritmonitor: 7,53 Liter


    Erforderliche Motordrehzahl für 100 PS:

    1,8 Liter Zetec-E: 4782 UPM
    1,6 Liter Zetec-SE: 5941 UPM

    Differenz: Der 1,6 Liter Motor benötigt für die selbe Leistung 1159 UPM mehr.

    Zweifellos kostet eine Umdrehung des 1,6 Liter Motors weniger Energie, die Frage ist allerdings wieviel weniger.

    Meiner Meinung nach erfordert es mehr Energie einen 1,6 Liter Motor fast 6000 mal pro Minute durchzudrehen als einen 1,8 Liter fast 4800 mal.


    Die Frage ist, wieviel weniger Energie erfordert eine Umdrehung eines 1,6 Liter Motors? Und woher kommt die geringere Reibung?


    Wenn ich den Motor so im Geiste vor mir sehe fallen mir als Laie folgende Dinge ein:

    Kleinere Bohrung ---> kleinerer Kolbenumfang --> kleinere Kolbenringe = weniger Reibfläche - aufgrund sehr hoher Auf-und Abfrequenz wahrscheinlich durchaus relevant.

    Kürzerer Hub und leichtere da kleinere Kolben: Geringerer Fliehkräfte --> geringere Reibung in den Pleuellagern da weniger Druckaufbau?

    Dünnere Kurbelwelle? Diese läuft allerdings meines Wissens hydrodynamisch auf einem Ölfilm, kann mir als Laie nicht vorstellen das selbst eine deutlich dickere Welle nennenswert mehr Reibung erzeugt.

    Dünnere Nockenwellen? - siehe Kurbelwelle

    Kleinere Ventile? Da diese sehr oft mechanisch bestätigt werden müssen könnte ich mir hier eventuell schon einen nennenswerten Einfluss auf die Effizienz vorstellen.




    Wer weiß mehr zu diesem Thema?






    PS: Der 1,6 Liter ist sogar deutlich schlechter... man vergleiche einfach mal die Luftmengen die pro Minute durch beide Motoren gehen müssen um eine Leistung von 100 PS zu erzeugen:

    4 Takt 4 Zylinder: pro Motorumdrehungen saugen 2 Zylinder an und 2 Zylinder puffen aus = UPM mal halber Hubraum für Luftverbrauch = Luftmenge die pro Minute bei dieser Drehzahl durch den Motor gepumpt werden muss = je größer die Luftmenge destro größer der Energieaufwand um diese zu bewegen/durchzupumpen.

    4782 UPM * 1,8 Liter/2 = 4303,8 Liter Luft pro Minute für 100 PS Leistung

    5941 UPM * 1,6 Liter/2 = 4752,8 Liter Luft pro Minute für 100 PS Leistung

    Für die selbe Leistung braucht der 1,6 Liter 449 Liter Luft mehr - pro Minute! Das pumpen von soviel Luft kostet natürlich nicht wenig Energie = Benzin.


    Im Alltag braucht der 1,6 Liter natürlich trotzdem meist weniger Benzin als der 1,8 Liter. Grund dafür ist erstens eine ganze Reihe von Sekundärvorteilen wie kürzere Warmlaufphase, geringere Leistungsanforderung (man fährt den Berg mit dem 1,6 Liter einfach langsamer hoch als mit dem 1,8 Liter) sowie natürlich die geringen Drosselverluste im Teillastbetrieb (obige Berechnung basiert auf Volllast da jegliche Leistungswerte sei es PS oder Drehmoment sich immer auf Volllast beziehen.) Da selbst bei betont sportlicher Fahrweise der Teillastbetriebsbereich viel größer ist als der Volllastbetriebsbereich, wird der höhere Volllastverbrauch bei identischer Leistungsanforderung der kleineren Maschine durch die besseren Teillastwerte meist überkompensiert.

    Es erklärt aber meiner bescheidenen Laienmeinung nach das Phänomen, dass kleine Benziner unter Belastung hemmungslos das saufen anfangen und teilweise mühelos Motoren mit der doppelten Leistung unter den Tisch saufen, trotz immer noch deutlich schlechteren Fahrleistungen.




    Aber nochmal zur usprünglichen Frage zurück:

    Die Frage ist, wieviel weniger Energie erfordert eine Umdrehung eines 1,6 Liter Motors im Vergleich zu einem 1,8 Liter Motor? Und woher kommt die geringere Reibung?
     
  2. AdMan

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  3. #2 HeRo11k3, 24.08.2012
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    Ich leider nicht.

    Das ist grundsätzlich so richtig, Für die meisten Otto-Saugmotoren gilt: Der beste Wirkungsgrad liegt irgendwo kurz vor Volllast zwischen 2500U/Min und 3500U/Min. Da bringt dein 1.8er vielleicht 60PS, der 1.6er aber nur 50PS, für 60PS müsste der 1.6er höher drehen und damit ist der Wirkungsgrad schlechter. Ist hier im Abschnitt 4 ganz gut erklärt, muss ich nicht abtippen: http://www.spritmonitor.de/de/benzin_sparen_rico_klein.html

    Richtig. Deshalb werden kleine Motoren immer mal wieder auch gerne als Dreizylinder gebaut, da ist das Verhältnis von Hubraum (geht mit Bohrung^2) zu Umfang (geht linear mit der Bohrung) besser. Und die 2l-Sechszylinder, die BMW lange Zeit gebaut hat, waren zwar herrlich laufruhig, aber vom Spritverbrauch her eher katastrophal. Und deswegen ist die Formel1 vom Zwölfzylinder auf den Zehnzylinder umgestiegen...

    Jepp.

    Ja, der Nockenantrieb braucht durchaus einiges an Energie. Genauso braucht ein größerer Motor eine größere Ölpumpe, eine größere Kühlmittelpumpe, evtl. einen größeren Anlasser, also auch eine stärkere Lichtmaschine und so weiter und so fort - alles Teile, die mehr Energie brauchen, wenn man sie größer baut.

    Und im Alltag werden beide Motoren die allermeiste Zeit mit so wenig Last gefahren, dass der Wirkungsgrad mit steigender Last ansteigt, der 1.6er also deutlich besser dasteht. Dazu muss man noch nichtmal langsamer einen Berg hoch fahren, sondern eben mal mehr Gas bei praktisch gleicher Drehzahl geben.

    Wobei noch dazukommt, dass der größere Motor tendenziell von Leuten gekauft wird, die gerade in Deutschland schneller auf der AB fahren. Die nötige Leistung geht in dritter Potenz (zumindest die Leistung zur Überwindung des Luftwiderstands, was ab 80-100km/h die einzig relevante Leistung ist), wenn ich also 180 statt 120 fahre, brauche ich die 3.375fache Leistung, bin aber nur 1.5x so schnell da, brauche also die 2.25fache Energie. Da hilft mir ein (vielleicht) 20% besserer Wirkungsgrad nicht weit. Zum theoretischen Vergleich taugt daher auch der NEFZ-Wert ganz gut, da wird von beiden Motoren die gleiche Leistung abgefordert, ohne die unterschiedlichen Fahrertypen mit einfließen zu lassen.

    Dabei sieht man beim Focus Mk1 IMHO ganz gut, dass der 1.6er das obere Ende der kleinen Motorfamilie ist, mit vermutlich kleiner Ölpumpe, kleiner Lichtmaschine etc. pp. (75PS: 6.6l/100km NEFZ, 100PS: 6.8l/100km NEFZ) und der 1.8er eine ganz andere Hausnummer (115PS: 7.6l/100km NEFZ, alle Werte vom Kombi, weil zuerst gefunden)

    Ich würde davon ausgehen, dass zwar natürlich deutlich mehr Volumen durchgepumpt wird, aber bei niedrigerem Druck, weil die Luft "nicht so schnell nachkommt" durch den Ansaugtrakt, die tatsächliche Luftmenge also gar nicht sooo viel größer ist. Bei einem lambdageregelten Ottomotor hängt nämlich die Spritmenge direkt mit der Luftmenge zusammen (1kg Sprit auf 14.nochwas kg Luft) und so exorbitant viel höher dürfte der Verbrauch nicht sein.

    MfG, HeRo
     
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  4. #3 Fordbergkamen, 24.08.2012
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    Moin,
    da scheint mir aber jemand auf dem Weg zur Doktorarbeit zu sein...

    Ich habe aber bereits den ersten Denkfehler gefunden:

    Bei einem 4 Zylinder 4 Takt Motor hast du alle 180 Grad eine Zündung.
    Dadurch ergibt sich bei einer Umdrehung:
    1.Zylinder --> saugt an.-->verdichtet.
    2.Zylinder--> verdichtet.-->zündet.
    3.Zylinder-->zündet.-->arbeitet.
    4.Zylinder-->arbeitet.-->auspufftakt
    Somit hast du pro Umdrehung einen Ansaugtakt. Macht also nur die hälfte der Luftmenge. Außerdem geht man von einem Füllungsgrad von ca. 60% aus. Um über 60% hinaus zu kommen wird der Turbo eingesetzt.
    Reibung wird durch gezielten Öleinsatz nahe 0 gebracht, denn jede mögliche Reibung würde die Motorlebensdauer erheblich kürzen.
    Innere Motorverluste, halt nicht die Reibung, aber halt die anderen Sachen wie Ölverdrängung, Ölkreislauf, Wasserkreislauf, Strom, Klima und nicht zu guter letzt der Ventiltrieb brauchen jede Menge Energie die dem Antrieb nicht zur Verfügung steht.
    Luftgekühlte Zweitaktmotoren scheinen hier eine gute Alternative zu sein...

    Der Unterschied z.B. im Ventiltrieb zwischen einem 1.6 und einem 1.8 ist nicht messbar. Gibt es überhaupt einen Unterschied zwischen zwei identischen Motoren die sich lediglich im Hubraum minimal unterscheiden???
    Ich denke mal nicht, da sämtliche Nebenverbraucher wie oben angeführt gleich sein werden.
    MfG
    Dirk
     
  5. #4 Lord Arakhor, 24.08.2012
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    Ein direkter Vergleich kann hier gefunden werden:

    http://www.ford-forum.de/showthread.php?t=107328

    bei 2500 sind es 10 PS, bei 3500 14 PS Unterschied.



    Interessant, vielen Dank! :laecheln:


    Stimmt, die Lambdaregelung habe ich nicht bedacht.


    Nein, eine Doktorarbeit schreibe ich nicht, ich mache mir nur Gedanken :grinsen:


    Ich bin Laie... und ich war selber ziemlich verwirrt... 4 Zylinder mit 4 Takten und dann noch mit der Zündreihenfolge.... :verdutzt:

    Deswegen habe ich mir unten stehende Anlage als Krücke für meine mangelnde Vorstellungskraft erstellt.

    Während einer Motorumdrehung bewegt sich der Kolben abwärts und dann wieder aufwärts = 2 Takte. Demensprechend werden 2 Motorumdrehungen für alle 4 Takte benötigt. Ein 1 Zylinder 4-Takt Rasenmäher zündet also nur alle 2 Umdrehungen.

    Während einer Umdrehung durchlaufen alle 4 Zylinder 2 Takte. Zuerst zündet Zylinder 1 und drückt den Kolben abwärts. Wenn dieser unten angekommen ist hat sich die Kurbelwelle um 180 Grad gedreht und dadurch gleichzeitig Kolben 3 nach oben an das Ende des Verdichtungstaktes bewegt. Die Zündkerze zündet Zylinder 3 und Kolben 3 bewegt sich abwärts. Dies bewirkt das Kolben 1 sich wieder nach oben bewegt und die Abgase auspufft.

    Gleichzeitig zu Kolben 1 und 3 haben sich aber auch die Kolben 2 und 4 um 2 Takte weiterbewegt. Pro Motorumdrehung wird zweimal angesaugt, zweimal verdichtet, zweimal gezündet/gearbeitet und zweimal ausgepufft. Jeweils mit 180 Grad Kurbelwellendrehung. Zylinder 1 leistet die erste halbe Umdrehung, Zylinder 3 die zweite halbe Umdrehung.

    Meiner - bescheidenen - Meinung nach sieht es mit einer Motorumdrehung also folgendermaßen aus:

    Zylinder 1: Arbeiten - Auspuffen
    Zylinder 2: Ansaugen - Verdichten
    Zylinder 3: Verdichten - Arbeiten
    Zylinder 4: Auspuffen - Ansaugen


    Wenn man es sich so überlegt... bei 6000 UPM wird 12000 mal pro Minute angesaugt, verdichtet, gearbeitet und ausgepufft.... kein Wunder das da teilweise der Krümmer glüht. :eek2:

    (Vorrausgesetzt ich liege nicht falsch, was durchaus möglich ist :angel:)


    Ahh, das mit dem Füllungsgrad wusste ich nicht. In Verbindung mit der Lambdaregelung reduzieren sich damit die Luftmengen ganz ordentlich.... ist aber immer noch ein Haufen Holz.... vor allem wenn man bedenkt was man mit einer Stunde Autobahnfahrt allein an Luft durch das Auto durchbläst.

    Sehr interessanter Beitrag! :laecheln:
     

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  6. #5 OHCTUNER, 25.08.2012
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    Ja du liegst falsch , 4-takter braucht zwei Umdrehungen um alles zu erledigen , somit saugt der Motor bei 6000 nur 3000 mal an !
    Hab das jetzt hier nicht alles durchgelesen , aber an den PS würde ich mich bei sowas nie halten , viel wichtiger ist das Drehmoment bei einem Motor , wann wieviel anliegt ist da deutlich wichtiger !
     
  7. #6 Fordbergkamen, 25.08.2012
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    Moin,
    habe auch etwas auf dem Schlau gestanden... Sorry, aber stimmt.
    Dein 4 Zylinder saugt bei 6000 Umdrehungen 12000 mal an.

    Allerdings nur die halbe Menge an Hubraum, also ein 1.8 Motor würde bei 100% Füllung nur 0,9 Liter ansaugen.

    4-takter braucht zwei Umdrehungen um alles zu erledigen

    Ja, stimmt. Aber... pro Zylinder, wir haben aber nun 4 davon.

    bei 6000 nur 3000 mal an x 4 = 12000

    Hat bei mir auch einen kleinen Knoten im Gehirn verursacht, der sich jetzt hoffentlich gelöst hat.:rotwerden:

    MfG
    Dirk
     
  8. #7 dridders, 25.08.2012
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  9. #8 Meikel_K, 25.08.2012
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    Man kann nur für die beiden bekannten Betriebspunkte (max. Leistung und max. Volllastmoment mit den dazugehörigen Drehzahlen) jeweils die andere Größe berechnen. Für den Betriebspunkt der max. Leistung lässt sich also das max. Volllastmoment errechnen und umgekehrt, weil die Leistung das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl ist.

    Mit den beiden charakteristischen Stützsstellen kann man sich den typischen Verlauf der Leistungs- und Drehmomentkurve ungefähr aufmalen (stehen auch oft im Prospekt). Lienar interpolieren geht natürlich nicht.

    Was gerne vernachlässigt wird: die Effizienz eines Motorenkonzeptes wird nach dem spezifischen Verbrauch in g / kWh beurteilt und nur der ist im Betriebspunkt des max. Volllastmoments am niedrigsten. Bei Motoren mit Drosselklappe leuchtet das ja unmittelbar ein, weil der Ansaugwiderstand am geringsten ist. Im realen Betrieb zählen aber l / 100 km, das erklärt die enorme Abhängigkeit von Fahrbedingungen und Fahrer.
     
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  11. #9 Meikel_K, 25.08.2012
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    Das Drehmoment über eine Kurbelwellenumdrehung (2 PI = 360°) multipliziert ist die Arbeit. Arbeit bezogen auf die Zeiteinheit (also multipliziert mit den Umdrehungen / Sekunde) ergibt die Leistung. Die Werte kann man ja mal ausrechnen.

    Für den 1.8 heißt das:

    Pmax (Leistung) 115 PS @ 5500/min = 84.5 kW @ 91.67/sec,
    T (Drehmoment) in diesem Betriebspunkt @ 5500/min = 84.5 kW / ( 2 PI x 91.67/sec) = 146.7 Nm

    Tmax = 160 Nm @ 4400/min (= 73.33/sec),
    P in diesem Betriebspunkt @ 4400/min = 160 Nm x 2 PI x 73.33/sec) = 73.74 kW = 100 PS
    (damit haben wir zufällig schon die Drehzahl gefunden, die für 100 PS gebraucht wird, nämlich 4400/min)

    Für den 1.6 entsprechend:

    Pmax (Leistung) 101 PS @ 6000/min = 74.3 kW @ 100/sec,
    T (Drehmoment) in diesem Betriebspunkt @ 6000/min = 74.3 kW / ( 2 PI x 100/sec) = 118 Nm

    Tmax = 145 Nm @ 4000/min (= 66.67/sec),
    P in diesem Betriebspunkt @ 4000/min = 145 Nm x 2 PI x 66,67/sec) = 60.74 kW = 82.6 PS

    Die Drehzahl für 100 PS muss ja praktisch die Nenndrehzahl von 6000/min sein. Das ist genau genug.

    Die vergleichbaren Fahrzeuge würden mit 100 PS natürlich nur dann gleich schnell laufen, wenn sie entsprechend angepasst übersetzt wären. Und das geht bei unterschiedlichen Leistungscharakteristiken nur in einem einzigen Betriebspunkt. Nur dann hätte man bei gleicher Leistung die gleichen Fahrwiderstände.

    Aber wie gesagt, im realen Fahrbetrieb ist die beste kWh die, die erst gar nicht angefordert wird. 2 grundverschiedene Fahrernaturen dürften für die gleiche Strecke eine sehr breite Spanne an abgrufener Leistung aufweisen. Das macht mehr aus als die Unterschiede in der Effizienz, mit der die kWh aus dem Krafstoff verstoffwechselt wird. Außerdem spielen sich die meisten Fahrzustände weit entfernt von den Betriebspunkten ab, in denen Motoren besonders effizient laufen. Deshalb ist ja - z.B. im Stadtverkehr mit hohem Leerlaufanteil - ein effizienter Ventiltrieb so wichtig.
     
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  12. #10 OHCTUNER, 25.08.2012
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    Nöö , der Knoten hat sich wohl nicht gelöst , kann aber noch angepasst werden !
    Je zwei Kolben arbeiten auf gleicher Höhe , einer saugt an und der andere pufft aus bei einer Umdrehung , das immer im Wechsel , die anderen zwei machen das genauso , nachdem alle vier das erledigt haben , sind zwei Umdrehungen vergangen , jetzt Kopf qualmen lassen und rechnen !
     
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Weniger Hubraum = geringere Reibung im Motor? Effizienzvergleich unter Volllast

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