Motorleistung - was ist das und wie entsteht sie ???
Drehmoment [Nm] und Leistung [KW]
In so gut wie jedem "Benzingespräch" ist das Thema Nummer 1 "die Leistung"
doch sind die PS bzw. KW das einzig selig machende?
JA und NEIN kann man dazu nur sagen - denn Leistung ist im Grunde erst mal
ein rein theoretischer Wert und wenn man weiß wie die Leistung entsteht
weiß man auch das Sie alleine Betrachtet nur sehr wenig über die mögliche
Dynamik eines Fahrzeuges aussagt.
"Leistung" und Ihr physikalischer Hintergrund ...
Leistung [Pe] ist ein Resultat aus dem Drehmoment [M] und der Drehzahl [n].
Das Drehmoment [M] ist wiederum auch ein Resultat ...
nämlich aus der Kraft [F] und der Länge des Hebelarmes [r].
Kraft die an einem Hebelarm ansetzt, bewirkt eine Drehbewegung.
Je länger der Hebelarm [r] und/oder je größer die Kraft [F],
um so größer ist die Drehkraft also das Drehmoment [M].
Technische Interpretation zum Drehmoment:
Drehmoment, die aus Kraft mal Kraftarm (Hebelarm) sich ergebende Drehwirkung.
Für die Drehbewegung spielt das Drehmoment dieselbe Rolle wie die Kraft
für die lineare Bewegung (Kolbenhub);
es wird durch die zeitliche Änderung des Drehimpulses [n] bestimmt.
Technische Interpretation zur Leistung:
Leistung [Pe] [oder auch N], physikalische Größe; Arbeit pro Zeiteinheit;
auch Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit.
Als allgemeine internationale Leistungseinheit wird das Watt gebraucht.
Die Einheit Pferdestärke (PS) ist amtlich nicht mehr zugelassen.
In den angelsächsischen Ländern wird manchmal noch das HP (Horse-Power) benutzt:
1 HP = 745,70 W.
Zum Vergleich - Die Dauerleistung eines Menschen beträgt rund 70 W.
Die Formeln:
Pe = M x n
M = F ¡· r
M =(Pe x r) : n
M1 = M2 ¡· i
Erläuterung zu den Abkürzungen:
M: Drehmoment in Nm
F: Kraft in N (Newton)
r: Hebelarm in m (Meter)
n: Drehzahl der Kurbelwelle in 1/min (Umdrehungen je Minute)
i: Übersetzungsverhältnis (ohne Einheit)
Pe : Leistung in KW (Kilowatt)
M1 : Drehmoment (Eingang) in Nm
M2 : Drehmoment (Ausgang) in Nm
Daraus lässt sich folgendes Schließen ...
Die "Leistung" eines Motors ist also als "relativ" an zu sehen weil sie ein Ergebnis von Variablen ist
und sie sagt rein gar nichts über den Charakter eines Motors aus.
Die Leistung [PS] ist im allgemeinen Verständnis gleich der Dynamik eines Autos.
... Woher kommt das eigentlich ???
Gerade hier bei uns in Deutschland kommt es zum Großteil von der Versicherungseinstufung ...
keine Versicherung hat je nach der Kraft (Drehmoment) gefragt,
sondern immer nach den PS (heute KW) - und so hat sich das auch in unseren Köpfen eingebrannt.
"Die PS'e machen das Auto aus." Das ist aber nur die 1/2 Wahrheit wenn es darum geht zu sagen:
"macht dieses Auto Spaß oder nicht?" ... wir wissen ja nun auch warum es "nur" die 1/2 Wahrheit ist.
Leistung errechnet sich aus dem Drehmoment mal der Drehzahl.
Ein LKW Motor kann 800PS haben, genauso wie ein Formel 1 Motor auch.
Der LKW hat diese Leistung bei 1500 U/min - der F1 Motor bei 15'000 U/min
Also bloß weil zwei Motoren die selbe Leistung bei annähernd identischen Rahmenbedingungen haben
heißt es noch lange nicht das sie auch gleich "schnell" oder gar gleich "dynamisch" sind.
Es würde wohl auch niemand ernsthaft auf die Idee kommen einen Ferrari oder Porsche Motor
in einen LKW ein zu bauen in der Annahme das es keinen Unterschied macht.
Umgekehrt ist das genauso - ein 500 PS LKW Motor in einer "Ente" würde daraus ganz sicher
keinen Rennwagen machen - das ist auch jedem klar.
Obwohl wir das alle irgendwo wissen ... Beachtung findet es dennoch meist nicht.
Wie bei so vielem macht es die Harmonie, also die Mischung aus Leistung und Kraft.
Die modernen Dieselmotoren zeigen das heute sehr eindrücklich.
Sie sind wirtschaftlich und obendrein machen sie auch noch Spaß.
Wie funktioniert ein Diesel, Otto und Wankelmotor ?? - (Hier klicken)
WARUM:
Sie haben viel früher mehr Drehmoment als ein vergleichbarer Benziner.
Da kommt einfach in jeder Lebenslage Schub - Einschränkung bei Diesel ist das Drehvermögen
der Maschine - bedingt durch die Bauart, sind beim Diesel nicht so hohe Drehzahlen realisierbar.
Im Umkehrschluss bedeutet das natürlich das ich einen kleineren nutzbaren Drehzahlbereich
zur Verfügung habe als ein Benziner.
Im Bezug auf die Drehzahlgrenze bzw. den Drehzahlbereich ist zu Bedenken,
dass ein Motor die maximale Leistung nur bei voll geöffneter Drosselklappe abgibt,
also bei Vollgas und der dazugehörenden so genannten Nenndrehzahl.
Einem Bereich der im normalen Betrieb ja eher selten erreicht wird,
weil diese Nenndrehzahl der maximalen Leistungsentwicklung nahe der
Drehzahlgrenze des Motors liegt.
Bei "normalen" PKWs mit Benzinmotor im Bereich von 6000 1/min
und beim Dieselmotor liegen wir in der Regel im Bereich von 4000 1/min
dem zu folge ist die reine PS Leistung auch nur sehr bedingt aussagekräftig.
Aufgrund dieser physikalischen Tatsache können wir eines also schon mal mit
Sicherheit sagen - Leistung ist ein kontinuierlich ansteigender Wert
dessen Maximum folgerichtig erst ganz zum "Schluss" zur Verfügung steht.
Die Leistung wächst stetig mit zunehmender Drehzahl an - erreicht ein Maximum
und fällt danach sehr schnell ab, denn Leistung ist die Kraft in Abhängigkeit von Zeit.
Je höher die Maximalleistung ist umso mehr habe ich aber natürlich auch
bei niedrigeren Drehzahlen - aber trotzdem nützt mir die ganze Leistung
nichts, wenn ich keine Kraft habe ...
Also ist dem zu folge die Kraft neben der Leistung ein ganz entscheidender Faktor
und diese Kraft entscheidet nämlich - wie schnell wir schneller sein können.
Saugmotoren haben Drehmoment und Leistung relativ spät, was also bedeutet
um wirklich schnell sein zu können muss man immer darauf bedacht sein
möglichst hohe Drehzahlen anstehen zu haben. Je sportlicher ein Motor ausgelegt
ist um so extremer wird diese Eigenart.
Wenn man mal in Bewegung ist kann man dafür sorgen das man immer in einem
optimalen Kompromissbereich zwischen Kraft und Leistung unterwegs ist,
aber auf der öffentlichen Strasse gehört diese Idealvorstellung wohl eher
in den Bereich der Wunschträume.
Das nächste Problem dabei ist - um auf Drehzahl zu kommen vergeht
logischerweise auch immer eine gewisse Zeit und MEHR Drehzahl bedeutet
mehr Leistung.
Eines kann man also mit Sicherheit jetzt schon sagen - die Mischung aus Kraft und Leistung
ist der Bringer - beim Beschleunigen aus dem Stand und beim Durchzug
z.B. beim Überholen ist es vor allem wichtig - früh, viel Kraft zu haben.
Alles andere gehört auf die Rennstrecke oder wäre höchstens auf freier Autobahn
wirklich schön zum fahren.
Leistung [Pe]- das Resultat aus Kraft [M] mal Zeit [n]
und wie sie im Motor entsteht versuche ich in diesem Abschnitt
anhand von Beispielen aus dem Alltag zu erläutern.
Aus Kraft die auf den Hebelarm wirkt entsteht das Drehmoment
welches in Abhängigkeit mit der Drehzahl dann die theoretische Leistung ergibt.
Die größte Kraft im Motor entsteht folgerichtig im Bereich der maximalen Zylinderfüllung.
Diese Kraft wirkt auf den Kolben der über das Pleuel an der Kurbelwelle das Drehmoment erzeugt.
Das Übersetzungsverhältnis und der Hebelarm entscheiden über die Höhe der Drehmomententwicklung.
Das kennt man ja von den Wippen auf dem Spielplatz - Papa oder Mama setzen sich näher zur Drehachse
um so "leichter" zu
werden - sprich gleich "schwer" wieTöchterchen oder der Sohnemann.
Andersherum - durch das Hebelarmübersetzungsverhältnis erreichen die "Kleinen"
das sie die "Großen" anheben können.
Um zu verstehen, wie das Drehmoment in einem Verbrennungsmotor entsteht,
stellt man sich am einfachsten den Pedal-Antrieb eines Fahrrades vor.
Ist ganz genau das selbe Prinzip von Kraft und Hebelwirkung, da treten wir in die Pedale (Kurbelwelle)
und erzeugen so auch ein Drehmoment.
Wo kommen Drehmomente denn sonst noch vor ...
Sie treten überall da auf, wo etwas gedreht wird oder über eine Hebelwirkung eine Kraft verändert wird
je nach Hebelänge und Übersetzungsverhältnis kann das eine Krafterhöhung oder "Reduzierung" bewirken.
Drehmomente im Alltag wirken z.B. beim aufschließen der Wohnung (Schlüsseldrehung) dann beim öffnen der Tür.
Die Konservendose die wir öffnen, die Schraube die wir anziehen usw.
Kommen wir wieder auf unseren Radfahrer Vergleich zurück ...
Wie groß das Drehmoment ist, richtet sich nach der Größe der Kraft
und der Länge des Hebelarmes an der die Kraft angreift.
Je größer die Kraft (z. B. die Muskelkraft des Radfahrers)
und je länger der Hebelarm (z. B. eine Tretkurbel),
desto höher das Drehmoment.
Die Kraft entsteht beim Motor durch die Explosion des Treibstoffs im Zylinder
und wirkt über Kolben und Pleuel auf die Kurbelwelle.
Die stärke der Explosion ist Abhängig von der Menge des Verbrennungsgemisches
das dem Zylinder zugeführt wird. Diese Zylinderfüllung regeln wir mittels des Gaspedals
das wiederum die Drosselklappe öffnet und somit den Verbrennungsräumen das
Kraftstoff- Luft Gemisch zuführt.
Das Ergebnis ist ... wir beschleunigen UND zwar solange bis sich die erzeugte Leistung
und die Höhe der Fahrwiderstände gegeneinander aufheben oder verkehren.
Der Kurbelradius (Hebelarm) ist beim Verbrennungsmotor immer gleich. Die Kraft die auf den Kolben wirkt
ist die Variable. Geben wir nun Gas - Drosselklappe lässt mehr Gemisch in die Brennräume - wächst logischerweise
die Verbrennungskraft und damit auch das Drehmoment - das Auto beschleunigt.
>>> Ein etwas profaner Vergleich: Je mehr Bohnen um so mehr Pupseffekt und um so länger
sich der Druck staut um so schwerer wird es den Druck zu halten ;-)" <<<
Bei einer bestimmten Motordrehzahl ist der größte Verbrennungsdruck
und damit das maximale Drehmoment erreicht. Gaswechsel, Gemischbildung und Verbrennung
sind an dieser Stelle als optimal zu bezeichnen. Dies ist der Zahlenwert, der in den technischen Daten
des Fahrzeugs angegeben wird, zusammen mit der dazugehörigen Drehzahl.
z. B. 180 Nm bei 3.800 U/min. Davor und danach ist es geringer.
Der Grund: Der Aufbau eines hohen Verbrennungsdrucks im Zylinder ist nur in einem kleinen Drehzahlbereich
ideal für eine optimale Zylinderfüllung - Gaswechsel, Gemischbildung und Verbrennung sind außerhalb
dieses Bereiches wieder schlechter. Moderne Motoren vergrößern mit den verschiedensten Hilfsmitteln
diesen Bereich - Variable Ventilöffnungszeiten und Ladedruckregulierung sind hier am effektivsten
um über einen weiten Bereich eine hohe Kraft durch optimale Zylinderfüllung zu erreichen.
Als Faustregel gilt: Je höher das maximale Drehmoment und je niedriger die Motordrehzahl, bei der es erreicht wird, um so mehr Zugkraft hat ein Auto. Der Motor fährt sich "elastischer". Denn für das Vorwärtskommen des Fahrzeugs ist das Drehmoment wichtiger als die Leistung.
Die Dampflokomotive als Extrembeispiel:
Hier wirkt der höchste Dampfdruck beim Anfahren auf den Kolben (der Pupseffekt ;-),
das Drehmoment ist also am größten.
Das Produkt aus verrichteter Arbeit und Zeit, also die Leistung ist dagegen gleich null.
Wir erkennen also anhand dieses Beispieles das nicht die Leistung für Bewegung sorgt,
sondern die Kraft und das daraus resultierende Drehmoment.
Beim Auto ist es ähnlich:
Je höher das Drehmoment um so mehr Zugkraft entwickelt es beim Beschleunigen.
Liegt das maximale Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen an,
sprechen wir von einem "dynamischen" Fahrverhalten und angenehmer "Nebeneffekt",
wir müssen nicht so oft schalten um flott unterwegs sein zu können.
Das empfinden wir als sehr angenehm und reduziert obendrein den Kraftstoffverbrauch und den Verschleiß.
Wie elastisch ein Motor ist, lässt sich besonders bei Bergfahrten feststellen,
hier wächst der Fahrwiderstand den das Fahrzeug überwinden muss.
Das Bedeutet - Tempo und Drehzahl können abfallen und damit auch die Leistung des Motors.
Wir erinnern uns auch hier - Leistung ist Drehzahl und somit auch Zeitabhängig. [n = 1/min]
Die Drehzahl fällt jedoch nur dann, wenn der Fahrwiderstand die Kraft des Motors übersteigt.
Fällt die Drehzahl nicht weiter, lässt sich die Steigung ohne Gangwechsel überwinden.
Erst, wenn die Drehzahl des maximalen Drehmoments unterschritten wird, sollte geschaltet werden,
um wieder in den Bereich der optimalen Motorleistung und bestmöglicher Verbrauchswerte zu gelangen.
Die effizienteste Art zu beschleunigen ist also früh in den nächst höheren Gang schalten und dann
bei voll durchgedrücktem Gaspedal (Volle Drosselklappenöffnung) das Fahrzeug auf die gewünschte
Geschwindigkeit zu bringen. Damit ist nicht gemeint die Gänge aus zu drehen sondern schnell und zügig
jeweils im optimalen Drehmoment / Drehzahlbereich hoch zu schalten!
Oft wird fälschlicher Weise langsam beschleunigt in dem Irrglauben so besonders
sparsam unterwegs zu sein - ganz genau das Gegenteil ist so der Fall.
Nur bei voll geöffneter Drosselklappe nutzen wir die Motoreffizienz am effektivsten.
Wenn die Sollgeschwindigkeit erreicht ist geht man natürlich wieder vom Gas ... !! 
Soooooo - ich hoffe ich konnte hier das Thema verständlich erläutern
trotz all der "trockenen" Theorie die dahinter steckt.
