Warum die Kolbengeschwindigkeit eine Grenze setzt
Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist eine der wichtigsten Kenngrößen im Motorenbau. Sie gibt an, wie schnell sich der Kolben im Durchschnitt zwischen oberem und unterem Totpunkt bewegt. Pro Kurbelwellenumdrehung legt er zweimal den Hub zurück, deshalb ergibt sich die mittlere Geschwindigkeit aus zwei mal Hub mal Drehzahl.
Mit der Kolbengeschwindigkeit steigen Reibung, Verschleiß an Kolbenringen und Zylinderwand sowie die Massenkräfte am Kurbeltrieb. Außerdem begrenzt sie den Gaswechsel, weil die Strömung in den Kanälen mithalten muss. Ein langhubiger Motor erreicht die kritische Kolbengeschwindigkeit deshalb bei niedrigerer Drehzahl als ein kurzhubiger.
Neben dem Mittelwert berechnet der Rechner die maximale Geschwindigkeit. Sie tritt etwas vor 90 Grad Kurbelwinkel auf und hängt vom Pleuelverhältnis ab, also dem Verhältnis von Kurbelradius zu Pleuellänge. Ein kurzes Pleuel erhöht die Spitze und die Seitenkräfte am Kolben.
Einordnung der Werte
Als grobe Orientierung aus der Fachliteratur, etwa dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch: Große Diesel und Nutzfahrzeugmotoren arbeiten meist unter 10 bis 12 m/s, Pkw-Serienmotoren bei Nenndrehzahl im Bereich von etwa 12 bis 18 m/s. Sportliche Saugmotoren und Motorradmotoren erreichen 18 bis 22 m/s, Rennmotoren 20 bis 25 m/s und in Einzelfällen mehr.
Die Einordnung im Rechner ist eine Faustregel und ersetzt keine Konstruktionsberechnung. Wie hoch ein Motor sicher drehen kann, hängt von Kolbenmasse, Werkstoffen, Schmierung, Ventiltrieb und Kühlung ab. Moderne Leichtbaukolben und beschichtete Laufbahnen vertragen mehr als ältere Konstruktionen.
Für Tuningvorhaben ist die Rechnung trotzdem nützlich: Wer die Drehzahlgrenze anheben oder einen Hubzapfenversatz für mehr Hubraum plant, sieht sofort, wie sich die Kolbengeschwindigkeit verändert. Steigt sie deutlich über den Wert der Serie, sollten Kolben, Pleuel und Lager überprüft werden.
Den Hubraum aus Bohrung und Hub berechnet der Hubraum-Rechner, das Verdichtungsverhältnis der Verdichtungs-Rechner. Wie aus Drehmoment und Drehzahl Leistung wird, zeigt der Drehmoment-Leistung-Rechner.
Tipps und typische Fehler
Motor auslegen.
- Hub: Bestimmt die Grenze.
- Pleuel: Länger ist sanfter.
- Tuning: Serie vergleichen.
- Teile: Kolben prüfen.
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Häufige Fragen
Was ist eine normale Kolbengeschwindigkeit?
Bei Pkw-Serienmotoren meist etwa 12 bis 18 m/s bei Nenndrehzahl.
Wie berechnet man die mittlere Kolbengeschwindigkeit?
Hub in Millimetern mal Drehzahl geteilt durch 30.000 ergibt m/s.
Wo ist der Kolben am schnellsten?
Kurz vor 90 Grad Kurbelwinkel, abhängig vom Pleuelverhältnis.
Warum drehen Kurzhuber höher?
Bei kurzem Hub bleibt die Kolbengeschwindigkeit auch bei hoher Drehzahl moderat.
Welche Kolbengeschwindigkeit hatten Formel-1-Motoren?
Die hochdrehenden V8 und V10 lagen etwa im Bereich um 25 m/s.
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