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Kfz-Technik - Hubkolbenmotor



Der Einzelhubraum wird berechnet wie das Volumen des Zylinders. Hier wird allerdings für die Zylinderhöhe s angenommen, der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt. Es handelt sich also um einen gedachten Zylinder zwischen den beiden Kolbenstellungen. Der Hubraum ist demnach ausschließlich vom Zylinderdurchmesser und der Kröpfung der Kurbelwelle abhängig.
Der größte Gesamthubraum eines Benzinmotors beträgt wohl 27 Liter und stammt aus dem Jahre 1923. Da Dieselmotoren auch in großen Schiffen eingesetzt werden, kann ihr Einzelhubraum auch schon einmal einen Kubikmeter (1000 Liter) und mehr erreichen.

Vh = A · s

      Vh
A =
       s

   Vh
s =
       A

d²·
Vh = ·s
    4

   4·Vh
s=
       d²·

VH = Vh·z

     V H
Vh =
         z

   VH
z =
       Vh


d Kolbendurchmesser mm, cm, dm
A Kolbenoberfläche mm2, cm2, dm2
h Hub mm, cm, dm
Vh Einzelhubraummm3, cm3, dm3
z Zylinderzahl
VH Gesamthubraummm3, cm3, dm3


Kurzhuber, quadratisch ausgelegte, Langhuber

Der Hub wird mit der Bohrung verglichen. Dieses Hub-Bohrung-Verhältnis hat Einfluss auf das Betriebsverhalten des Motors. Während der Kurzhuber (Bild links) weniger Hub als Bohrung hat, ist dies beim Langhuber (Bild rechts) umgekehrt. Sind beide ungefähr gleich, so spricht man von einem quadratischen Querschnitt.

Besonders kurzhubige Motoren in der Formel 1

Während langhubige Motoren eher mit Drehmoment im unteren Drehzahlbereich glänzen, sind kurzhubige zu einem besonders hohen Drehzahlniveau und großen Ventilöffnungen fähig. Extremes Beispiel ist die aktuelle (2007) Formel 1 mit 2,4 Liter-V8 und etwa 98 mm Bohrung und 40 mm Hub. Letzterer sorgt dafür, dass die mittlere Kolbengeschwindigkeit trotz einer Maximaldrehzahl von 19.000 /min die mittlere Kolbengeschwindigkeit nicht wesentlich über 25 m/s ansteigt. Um das Gewicht der Kolben gering zu halten, gibt es keinen Ölabstreifring, fast keinen Kolbenschaft und einen Kolbenbolzen, der stark verkürzt unmittelbar unter dem Kolbenboden angebracht ist.


Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung (Hubraum + Verdichtungsraum) zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung (Verdichtungsraum).

Größeres Verdichtungsverhältnis
Höherer Verdichtungsenddruck
Höherer Oktanzahlbedarf

    Vh + Vc
ε =
        Vc

      Vh
Vc =
          ε - 1

Vh = Vc · (ε - 1)


Vh Hubraum eines Zylindersmm3, cm3, dm3
Vh Verdichtungsraum eines Zylindersmm3, cm3, dm3
εVerdichtungsverhältnis

Das Verdichtungsverhältnis kann man durch Auslitern ermitteln. Dazu muss der Kolben des zu messenden Zylinders auf Zünd-OT gestellt und über die Kerzenbohrung mit Flüssigkeit gefüllt werden. Das geht mit einer Spritze und genauer Registrierung der Füllmenge bis einschließlich Kerzenbohrung. Hierbei muss der Motor so platziert werden, dass diese senkrecht steht und sich innen keine Luftblasen bilden.

Es folgt die gleiche Übung mit dem Kolben auf UT. Probleme bereitet es dabei, beide Ventile wirklich zu schließen. Vielleicht erreicht man das durch Ausbau der obenliegenden Nockenwelle oder der/des Kipphebel (s). Man könnte aber auch mit dem vom Hersteller angegebenen Einzelhubraum rechnen.

Jetzt muss nur noch jeweils der Rauminhalt der Kerzenbohrung abgezogen werden. Vielleicht kann man ja eine originale Zündkerze bis zum Dichtring in Wasser tauchen und die Erhöhung des Flüssigkeitsvolumens messen. Die endgültige Berechnung erfolgt durch Teilung der beiden Werte durcheinander (siehe oben).


Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist der Weg, den der Kolben in einer bestimmten Zeiteinheit zurücklegen würde, wenn er während des gesamten Hubes stets die gleiche Geschwindigkeit hätte. Tatsächlich aber ändert sich die Kolbengeschwindigkeit (hellrot) von Null an den Totpunkten bis zur maximalen Kolbengeschwindigkeit etwas oberhalb der Mitte. Diese beträgt etwa das 1,6-fache der mittleren Kolbengeschwindigkeit (dunkelrot).

        s · n
vm =
          30.000

      vm · 30.000
s =
      n

      vm · 30.000
n =
     s

s Hub eines Zylindersmm, cm, dm
n Motordrehzahl1/min
vm Mittlere Kolbengeschwindigkeitm/s







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