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2018 | OriginalPaper | Chapter

3. Arbeitsprozess, Funktion und konstruktive Ausführung von Motorradmotoren

Author : Jürgen Stoffregen

Published in: Motorradtechnik

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Nachdem im vorigen Kapitel der Leistungsbedarf für das Motorrad betrachtet wurde, soll nun auf den Motor als Leistungserzeuger eingegangen werden.
Motorradmotoren zeichnen sich gegenüber allen anderen Fahrzeugmotoren durch höchste Leistungsdichte, kompakteste Bauart und geringes Gewicht aus. Sie zeigen darüber hinaus eine große Vielfalt und Variantenreichtum in der konstruktiven Bauausführung. Zusatzanforderungen, die in der heutigen Zeit an Motorradmotoren gestellt werden müssen, sind Umweltverträglichkeit, d. h. Schadstoff‐ und Geräuscharmut, geringer Kraftstoffverbrauch, Zuverlässigkeit und Wartungsarmut. Dennoch ist beim Motorradmotor nach wie vor die maximale Hubraumleistung ein vorrangiges Entwicklungsziel, weil der Wunsch des Motorradfahrers nach höchsten Fahrleistungen ungebrochen ist.
Alle Faktoren, die Einfluss auf die Leistungsentwicklung eines Verbrennungsmotors haben, lassen sich aus einer theoretischen Betrachtung des motorischen Arbeitsprozesses ableiten. Diese wird daher allen weiteren Kapiteln zum Thema Motor vorangestellt und mündet in einer Formel, mit der die Motorleistung grundsätzlich vorausberechnet werden kann. Eine solche Vorgehensweise hat sich als sehr nützlich erwiesen, weil sie zum Grundverständnis der komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen beim Verbrennungsmotor beiträgt. Es schließt sich eine Betrachtung der Ladungswechselvorgänge an, die für die Leistung des Motors von ausschlaggebender Bedeutung sind. Danach wird auf die grundsätzlichen Vorgänge und Mechanismen bei der Verbrennung im Motor eingegangen.

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Footnotes
1
In der Literatur wird die Verlustarbeit des Ladungswechsels häufig im sogenannten Gütegrad mit erfasst. Der Gütegrad setzt sich aus mehreren Einzelfaktoren zusammen und berücksichtigt weitere reale Einflussgrößen auf den Arbeitsprozess (z. B. den Expansionsverlust, unvollständige Verbrennung, Brennverlauf etc.). Diese Faktoren sind in der vorliegenden Darstellung aus Vereinfachungsgründen im Prozesswirkungsgrad ηPr berücksichtigt. Eine ausführliche Darstellung des Arbeitsprozesses findet sich in [3.1] und [3.2].
 
2
In Reparaturhandbüchern werden oft Steuerzeiten bei einem bestimmten Ventilhub (1–3 mm) angegeben, die nicht mit realen Steuerzeiten verwechselt werden dürfen! Diese „Einstellsteuerzeit“ dient lediglich dazu, die Nockenwelleneinstellung in Bezug zur Kurbelwelle zu erleichtern. Im Hubbereich von einigen mm bewirken nämlich schon kleinste Verdrehungen der Nockenwelle deutlich messbare Ventilhubänderungen. Wollte man die Nockenwelle(n) im Reparaturbetrieb bei realen Steuerzeiten einstellen, wären Fehler unvermeidlich. Denn zu Anfang der Nockenerhebung ändert sich der Ventilhub über einen Drehbereich von mehr als 10° nur weniger als 1/10 mm. Die Einstellsteuerzeiten sind deutlich kürzer als die realen Steuerzeiten und eine Umrechnung oder ein Rückschluss auf die reale Steuerzeit ist ohne ergänzende Angabe nicht möglich.
 
3
Die Schallgeschwindigkeit ist eine charakteristische Größe und im jeweiligen Medium (Luft, Wasser etc.) konstant. Sie ist allerdings abhängig von der herrschenden Temperatur. Durch die vergleichsweise geringen Temperaturunterschiede im Einlasssystem von Motoren kann die Schallgeschwindigkeit hier als konstant angenommen werden. In der Auspuffanlage herrschen allerdings größere Temperaturunterschiede, so dass sich die Schallgeschwindigkeit längs des Abgasweges in größerem Maße ändert.
 
4
Membranventile lassen sich prinzipiell auch am Viertaktmotor verwenden. Bei langen Steuerzeiten verbessern sie dort ebenfalls die Füllung und das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Versuche führten zu einer mehr als 30-prozentigen Drehmomentverbesserung. Problematisch ist aber der große Bauraumbedarf der Ventile, die im Einlasskanal von Viertaktmotoren kaum unterzubringen sind. Die Verwendung entsprechend kleiner Ventile scheitert an deren hohen Durchflusswiderstand. Die Drosselung wird dann so groß, dass der notwendige Gasdurchsatz für hohe Leistungen bei hohen Drehzahlen nicht mehr erreicht wird.
 
5
Zweitaktmotoren für Automobile, die vor einigen Jahren von verschiedenen Firmen als möglicherweise erfolgversprechende Zukunftsentwicklungen vorgestellt wurden, sind ausnahmslos mit externen Spülgebläsen ausgerüstet. Für Zweitakt-Dieselmotoren (Schiffsantriebe), die mit höchstem Wirkungsgrad arbeiten (>50 %), ist der Einsatz von Spülgebläsen ein etablierter Standard.
 
6
Diese Gegenkolbenmotoren wurden Anfang der 40er-Jahren bei DKW entworfen und nach Kriegsende in einigen Exemplaren auch gebaut. Es entstanden daraus Rennmotorräder, die DKW GS250/350. In den 50er-Jahren wurde der Motor modifiziert, und zusammen mit Fahrgestellteilen einer DKW SS-350 entstand ein Rennmotorrad mit der Bezeichnung DKW KS1. Der abgebildete Motor stammt aus einer solchen Rennmaschine, die sich heute im Besitz von Hermann Herz befindet. Im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten an der TH Darmstadt wurde am Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. B. Breuer dieser Motor völlig neu wieder aufgebaut. Die Restaurierungsarbeiten umfassten neben der Neuanfertigung des Motorblocks, der Zylinder, Kolben und Kurbelwellen auch die Erneuerung des mechanischen Laders. Eine ausführliche Beschreibung des Motors und der Restaurationsarbeiten findet sich in [3.17]. Federführend bei diesen Arbeiten war Herr Dr.-Ing. J. Präckel, der dem Verfasser auch das Bildmaterial überlassen hat. Dafür sei ihm an dieser Stelle ganz herzlich gedankt.
 
7
Es wurde nachgewiesen, dass erste chemische Reaktionen im Kraftstoff-Luft-Gemisch auch schon während der Verdichtung, also vor dem Funkenüberschlag, stattfinden. Bei Ottomotoren mit ihrem relativ niedrigen Verdichtungsverhältnis ist das Ausmaß dieser Vorreaktionen jedoch klein und von eher untergeordneter Bedeutung.
 
8
Die innermolekulare Bindung zwischen den Atomen wird normalerweise aus zwei Elektronen gebildet, die sich paarweise „zusammenlagern“ (Elektronenpaarbindung). Bei der Spaltung dieser Bindung entstehen Molekülbruchstücke mit freien, ungebundenen Elektronen, die als Radikale bezeichnet werden.
 
9
Der Energieumsatz erfolgt für einen Beobachter praktisch schlagartig, aber trotz der hohen Verbrennungsgeschwindigkeit ist die Verbrennung im Motor keine Explosion im strengen Sinne. Der Energieumsatz bei der Explosion von Sprengstoffen erfolgt u. a. aufgrund des im Sprengstoff gebundenen Sauerstoffs nochmals deutlich schneller, ein geordneter Flammenfortschritt wie im Motor kann dort nicht beobachtet werden.
 
10
Umkehrbare chemische Prozesse in geschlossenen Systemen (Zylinder) sind bei genauerer Betrachtung Gleichgewichtsreaktionen, bei denen die Reaktion ständig in beiden Richtungen verläuft. Wird im Motor beispielsweise CO durch den vorhandenen Sauerstoff zu CO2 oxidiert, so verläuft diese Reaktion stets auch umgekehrt, d. h. das CO2 zerfällt auch wieder in CO und O2. Das Gleichgewichts-verhältnis zwischen CO und CO2 ist eine natürliche Konstante, die aber von den Umgebungs-bedingungen Temperatur und Druck abhängt. Beides ändert sich während der Verbrennung und Expansion im Zylinder fortlaufend und schnell. Der CO-Gehalt im Abgas wird also neben der Vollständigkeit und Güte der Verbrennung auch von diesen Gleichgewichtsbedingungen beeinflusst. Eine detaillierte Darstellung der Reaktionsmechanismen bei der Verbrennung und der Schadstoffbildung würde weit über den Rahmen des Buches hinausgehen und erweiterte Kenntnisse in der Chemie erfordern, so dass hier auf die Fachliteratur verwiesen werden muss.
 
11
Als Hilfsvorstellung für die Wirkung der Gaskraft als innerer Kraft kann folgende Überlegung dienen: Eine geschlossene Blechdose, die unbewegt auf einem Tisch steht und durch Wärmezufuhr erhitzt wird, bewegt sich trotz des steigenden Gasdrucks im Inneren nicht und zeigt keinerlei Kraftwirkung nach außen. Der Gasdruck beansprucht lediglich die Blechwände der Dose.
 
12
Da in der Regel die oszillierenden Massen bei allen Zylindern gleich groß sind, sind auch die Pfeillängen gleich, so dass die Beträge der Massenkraft normalerweise keine Rolle spielen. Der erläuterte Unterschied zwischen Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens, der beim vorliegenden Zweizylindermotor für eine Restkraft sorgt, wird meist vernachlässigt.
 
Metadata
Title
Arbeitsprozess, Funktion und konstruktive Ausführung von Motorradmotoren
Author
Jürgen Stoffregen
Copyright Year
2018
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-07446-3_3

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