Effektiver Mitteldruck

Der Mitteldruck ist eine Rechengröße zur Beurteilung des Wirkungsgrades und des Ladungswechsels von Hubkolbenmotoren. Man erhält ihn durch Messung des Zylinderdruckes über alle Takte und anschließende Mittelwertbildung. Der in Wirklichkeit stark schwankende Zylinderdruck wird also als eine konstante Größe dargestellt, mit der man einfach rechnen kann. Vereinfacht dargestellt, kann man das Gaspedal im Fahrzeug als Mitteldruckregler betrachten. Zwischen dem effektiven Mitteldruck p_e, dem Hubraum eines Zylinders V_h und der bei einem Arbeitstakt geleisteten Arbeit W besteht der Zusammenhang:

$W = p_{e} \cdot V_h$

Mit Hilfe obiger Arbeitsformel berechnet sich das Drehmoment M für Viertaktmotoren

$M = \frac{ V_{h} \cdot p_{e} }{ 4 \pi }$

Bei Zweitaktmotoren wird die Zahl 4 im Nenner durch die Zahl 2 ersetzt.

Die Leistung P für Viertaktmotoren berechnet sich mit der Drehzahl n

$P = \frac{ V_{h} \cdot p_{e} \cdot n}{2}$

Bei Zweitaktmotoren wird der Zähler nicht durch 2 geteilt.

Der effektive Mitteldruck p_e hängt nur von drei Größen ab:

$p_{e} = \eta_{e} \cdot \lambda_{a} \cdot H_{G}$

mit

η_e: der effektive Wirkungsgrad des Brennverfahrens

λ_a: der Frischgasaufwand charakterisiert den Erfolg des Ladungswechsels

H_G: der Gemischheizwert des zugeführten Frischgases

Der Mitteldruck ist unabhängig vom Hubraum oder Größe des Motors. In der Praxis unterscheidet man mehrere Arten von Mitteldrücken:

• Der effektive Mitteldruck p_e, der aus der tatsächlich geleisteten Arbeit (s. o.) errechnet wird.
• Der indizierte Mitteldruck p_i, der den Mittelwert des gemessenen Zylinderinnendruckes über einen Arbeitshub entspricht.
• Der Reibmitteldruck p_r als Differenz der beiden vorgenannten Mitteldrücke, als Maß für alle mechanischen Verluste.

Trägt man den effektiven Mitteldruck über dem spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Luftzahl des Motors auf, erhält man bei Ottomotoren eine typische Fischhakenkurve.

Typische Werte:

• Serien-Ottomotoren: bis zu 11 bar bzw. 13 bar bei 4-Ventil-Saug-Motoren
• Serien-Turbo-Ottomotoren: bis zu 20 bar
• Serien-Dieselmotoren: bis zu 22 bar
• Mercedes C-Klasse 250 CDI: 29,3 bar
• Formel-3 Motoren: bis zu 16 bar aber nur in einem sehr engen Drehzahlbereich (2.0 l 4-Zylinder mit Kat und Dämpfer)
• Formel-1 Motoren: bis zu 15 bar (3.0 l 10-Zylinder offen)
• Honda F1 Turbo (1987): 57 bar

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6