Kolbenquerschnittsfläche

Der Hubraum oder das Hubvolumen bezeichnet für die Zylinder von Kolbenmaschinen das umschlossene Volumen, das sich aus dem Arbeitsweg des einzelnen Kolbenhubes und der wirksamen Kolbenquerschnittsfläche ergibt. Er definiert also das Volumen, das bei einem Motor durch den Hub aller Kolben insgesamt verdrängt wird.

Definition

Als wirksame Kolbenquerschnittsfläche ist in der Regel die von der Kolbendichtung bzw. der inneren Zylinderwand umschlossene Kreisfläche A anzusehen ($A = \pi \cdot r^2$, wobei r der Radius der Kolbenfläche ist).

Nicht anzusetzen ist dagegen eine größere Kolbenfläche, die sich aus einer gewölbten statt einer planen Kolbenendfläche ergibt. Bei Maschinen deren Kolben eine durchgehende Kolbenstange hat wie z. B. bei Dampflokomotiven üblich, muss zur Bestimmung des Hubvolumens die Kreisquerschnittsfläche der Kolbenstange vom Kolbenquerschnitt abgezogen werden.

Der Kolbenhub ist der Weg, der zwischen den beiden äußersten Stellungen des Arbeitskolbens zurückgelegt wird, bei Verbrennungsmaschinen meist als oberer und unterer Totpunkt bezeichnet.

Das Hubvolumen V ergibt sich also mit A_w als wirksamer Kolbenfläche und h als Hubweg zu

$V = A_w \cdot h$,

wobei als Maßeinheit meist Kubikzentimeter oder Liter angegeben werden.

Bei gleichen Parametern (Brennverfahren, Drehzahl und effektivem Mitteldruck) ist der Hubraum ein Indikator zum Vergleich der Leistung verschiedener Maschinen und eine der Kenngrößen eines Verbrennungsmotors. Es wird zudem unterschieden nach dem einzelnen Zylinderhubraum und Gesamthubraum einer Maschine, der sich aus der Multiplikation der Zylinderhubräume mit der Zahl der Zylinder ergibt.

Je nachdem ob der Kolbenhub größer oder kleiner als der Durchmesser des Zylinders ist, spricht man von einem Langhuber oder einem Kurzhuber. Die Ausdrücke Quadrathuber oder quadratisch für ein Triebwerk mit gleich großem Hub und Bohrung, wie sie von populärwissenschaftlichen Institutionen gern verwendet werden, existieren in der wissenschaftlichen Fachliteratur nicht.

Berechnung

Wichtige Größen:

V_h → Zylinder-Hubraum;

V_H → Motor-Hubraum;

V_c → Verdichtungsraum;

V → Verbrennungsraum;

i → Zylinder-Anzahl;

d → Zylinder-Durchmesser;

h (bzw.: s) → Kolbenhub, Hubweg oder kurz Hub.

Zylinder-Hubraum

Der Hubraum ist das Volumen zwischen dem unteren und oberen Totpunkt des Kolbens eines Motor-Zylinders und wird üblicherweise in cm³ (Kubikzentimeter) oder in l (Liter) angegeben. Es gilt:

$V_h = \frac{d^2 \cdot \pi}{4} \cdot h$.

Motor-Hubraum

Für Mehrzylinder-Motoren lautet die anschließende Formel, sofern die einzelnen Zylinder gleiche Hubräume aufweisen:

$V_H = V_h \cdot i$.

Verbrennungsraum

Der Verbrennungsraum ist das von Zylinder, Kolben und Zylinderkopf eingeschlossene Volumen; er ist von der Stellung des Kolbens abhängig, im Betrieb also zeitabhängig. Befindet sich der Kolben im unteren Totpunkt, dann gilt:

V = V_h + V_c.

Bei Doppelkolbenmotoren haben zwei Zylinder einen Verbrennungsraum gemeinsam, die Verhältnisse sind komplizierter.

Spezifikationen bei Kfz-Verbrennungsmotoren

Kurzhuber erlauben wegen der größeren Zylinderquerschnittsfläche die Unterbringung größerer Ventile. Sie haben – bei gleicher Drehzahl - im Vergleich zu Langhubern eine geringere Kolbengeschwindigkeit, sind also drehzahlfester und werden daher überwiegend in Sportwagen und Motorrädern verwendet.

Langhuber ermöglichen eine bessere Brennraumgestaltung und eine bessere Verbrennung. Sie haben einen geringfügig höheren Wirkungsgrad.

Die Tendenz im Kfz-Bau geht zunehmend zu kleineren und damit leichteren Motoren, da diese aufgrund der kleineren Wärmeübergangsflächen bei gleicher Leistung geringere thermische Verluste aufweisen. Dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig einen schlechteren Wirkungsgrad großvolumiger Motoren.

Hubraum und Drehmoment

Bei gegebenem Zylindermitteldruck bestimmt die Größe des Hubraums das Drehmoment. Hubraum, Mitteldruck und Drehzahl zusammen beeinflussen die Leistung.

Faustformel für Saugmotoren: Der Wert für das maximale Drehmoment in Nm gemessen liegt hier bei etwa 100 Nm pro Liter Hubraum. Eine Abweichung des Drehmomentwertes von etwa 10 bis 15 Prozent ist hierbei jedoch oft vorhanden, in der Regel nach unten aber auch zunehmend nach oben.

Beispiel

Hat ein Saugmotor einen Hubraum von 2000 cm³, so liegt das maximale Drehmoment meist bei 170 bis 210 Nm. Liegt es deutlich höher (über 230 Nm), ist davon auszugehen, dass der Motor über eine Motoraufladung verfügt wie z.B. einen Abgasturbolader oder einen Kompressor.

Hubraum und Kfz-Steuer

Der Hubraum wird oft auch für die Steuerbemessung herangezogen, wobei hier die sogenannte Steuerformel verwendet wird (Situation in Deutschland). Da die Steuern meist gestaffelt sind, wurden immer wieder Motoren mit Hubräumen knapp unter diesen Grenzwerten gebaut, zum Beispiel 1998 cm³ statt 2000 cm³. Auch die Typenbezeichnung eines Kraftfahrzeuges hat oft den Hubraum in der genaueren Bezeichnung.

Die Berechnung des Hubraums von Hubkolbenmotoren nach der Steuerformel erfolgt in Deutschland seit 1989 nach zwei unterschiedlichen Verfahren:

• alte StVZO-Steuerformel: Gesamthubraum = $0,78 \cdot D^2 \cdot H \cdot Z$ (D = Bohrung, H = Hub, Z = Zylinderzahl; Bohrung D und Hub H sind vor der Berechnung auf halbe Millimeter, das Ergebnis auf volle Kubikzentimeter abzurunden. Anmerkung: π / 4 wird hier auf 0,78 abgerundet, daher weicht der Hubraum nach alter Steuerformel recht deutlich nach unten vom effektiven Hubraum ab)
• neue EU-Steuerformel: Gesamthubraum = $\pi/4 \cdot D^2 \cdot H \cdot Z$ (D = Bohrung, H = Hub, Z = Zylinderzahl; Bohrung D und Hub H werden auf volle Millimeter mathematisch auf- oder abgerundet; die Kreiszahl π wird auf 3,1416 aufgerundet)

Da zum Teil in der – mehrfach geänderten – Steuerformel andere Rundungsregeln gelten, als in der Technik üblich, gab und gibt es immer wieder Abweichungen bei den Hubraumangaben in den technischen Daten der Hersteller einerseits und den Verwaltungsdaten für die Besteuerung andererseits. Durch Zylinderschleifen bei einer Motorüberholung vergrößerte Bohrungen werden für die Besteuerung nicht berücksichtigt. Bei Einführung der Hubraumsteuer in Deutschland war vom Gesetzgeber beabsichtigt, die Motorleistung zu besteuern; da diese damals aber nicht leicht messbar war, wurde der Hubraum – nach für Zweitakt- und Viertakt-Motoren unterschiedlichen Formeln – als Maß für die Motorleistung herangezogen, Näheres siehe unter Steuer-PS.

Auch zahlreiche Gesetze, etwa das deutsche Kraftfahrzeuggesetz, nehmen den Hubraum als Bemessungsgrundlage, zum Beispiel Führerscheinklassen bei Kleinkrafträdern.

Siehe auch

• Verdichtungsverhältnis (ε)

Literatur

• Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991. ISBN 3-8023-0857-3.
• Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000. ISBN 3-14-22-1500-X.
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001. ISBN 3-8085-2067-1.