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Hubraum

Einige wichtige Kenngröße für alle Arten von Hubkolbenmotoren ist der Hubraum. Für einen einzelnen Arbeitszylinder ist <$V_{\rm h}$> die Volumenänderung auf einer Seite des Zylinders, die bei Bewegung des Kolbens von einem Endpunkt (Totpunkt) zum anderen erfolgt. Bei Motoren mit mehreren Zylindern gibt man in der Regel den gesamten Hubraum <$V_{\rm H}$> an, d. h. die Summe für alle Zylinder.

Der Hubraum für einen Zylinder berechnet sich als das Produkt von Kolbenquerschnittsfläche und der Distanz zwischen den beiden Totpunkten (Hubweg). Es spielt hierbei keine Rolle, ob die Oberfläche des Kolbens eben oder z. B. gewölbt ist. Ebenfalls spielt es keine Rolle, welches Volumen der Verbrennungsraum oberhalb des Zylinders hat. Dieses Volumen (zusammen mit dem Hubraum) bestimmt nur das Verdichtungs- bzw. Expansionsverhältnis.

Der Hubraum (abgesehen von der maximalen Leistung) gilt als der entscheidende Wert für die Beurteilung der Größe eines Motors.

Bei Automotoren liegt der Hubraum meistens zwischen ein und zwei Litern, bzw. zwischen 0,25 Litern und 0,5 Litern pro Zylinder. Kleinmotoren beispielsweise für Rasenmäher oder handgehaltene Arbeitsgeräte (im letzten Fall häufig Zweitaktmotoren) können einen kleinen Hubraum von z. B. 50 cm³ oder teils sogar noch deutlich weniger haben. Kleinstmotoren, die im Modellflugzeugbau gebräuchlich sind, haben nur wenige Kubikzentimeter Hubraum.

Bedeutung des Hubraums für die Funktion des Motors

Die Arbeit, die am Kolben während eines Arbeitstakts geleistet werden kann, hängt vom Gasdruck und vom Hubraum ab. Die Leistung eines Hubkolbenmotors kann also erhöht werden, indem man

• den Hubraum erhöht,
• den Gasdruck erhöht (beispielsweise durch Turboaufladung), oder
• die Drehzahl erhöht, sodass die gegebene Menge Arbeit innerhalb jeder Sekunde öfters geleistet werden kann.

Für den Gasdruck ergeben sich Grenzen aus der Belastbarkeit der Materialien und dem Aufwand für die Kühlung. Andererseits sind der Drehzahl Grenzen gesetzt, da die nicht beliebig schnell erfolgenden Gaswechsel bei hohen Drehzahlen zunehmende Energieverluste verursachen und außerdem der Verschleiß und die Lärmentwicklung zunehmen. Auch für andere, hier nicht im Detail diskutierte Maßnahmen wie beispielsweise die Optimierung der Ventilsteuerung können nur sehr begrenzte Verbesserungen der Leistung bewirken. Somit ergibt sich der Hubraum als die Schlüsselgröße für das Erreichen der gewünschten Leistung. Dies drückt auch ein bekannter Spruch aus: "Hubraum ist durch nichts zu ersetzen, außer durch noch mehr Hubraum."

Die Literleistung eines Motors ist seine maximale Leistung dividiert durch den Hubraum in Litern. Bei heute typischen Benzinmotoren (Saugmotoren) für Autos liegt sie in der Gegend von 50 bis 80 kW/l, aber bei hochgezüchteten Motoren mit Turboaufladung sind auch rund 100 kW/l möglich.

Bei Zweitaktmotoren ist die Literleistung oft deutlich höher als bei den für Fahrzeuge üblichen Viertaktmotoren, weil jeder Zylinder einen Arbeitstag pro Umdrehung (anstatt pro zwei Umdrehungen) der Kurbelwelle leisten kann.

Auswirkungen des Hubraums auf die Energieeffizienz

Die Wahl des Hubraums eines Hubkolbenmotors kann auf verschiedene Weisen die Energieeffizienz beeinflussen:

• Wenn der Hubraum unnötig groß gewählt wird, sodass sich eine sehr hohe maximale Leistung des Motors ergibt, der Motor folglich dann umso mehr im unteren Teillastbetrieb läuft, kann die Energieeffizienz stark leiden, der Kraftstoffverbrauch also zunehmen. Dies ergibt sich aus mehreren Faktoren, beispielsweise Drosselverlusten (vor allem bei Ottomotoren) und Reibungsverlusten. Bei Fahrzeugen ist auch das erhöhte Gewicht eines großen Motors nachteilig.
• Andererseits kann es nachteilig sein, die gewünschte Leistung aus einem allzu kleinen Motor zu holen, beispielsweise wenn dies den häufigen Betrieb bei hohen Drehzahlen erfordert. Es ist besser, wenn der Motor häufig mit Drehzahlen betrieben wird, wo er das maximale Drehmoment bringen kann. (Die höchste Leistung wird bei höheren Drehzahlen erreicht, wo das Drehmoment wieder abnimmt.)
• Wenn ein Benzinmotor nach dem Atkinson-Prinzip betrieben wird, erhöht dies seinen Wirkungsgrad, vermindert aber die maximale Leistung. In diesem Fall wird also ein etwas größerer Hubraum für die gleiche Leistung benötigt.

Es ist also nicht von vornherein klar, ob der geringste Kraftstoffverbrauch erreicht wird, wenn eine gegebene maximale Leistung mit einem größeren oder kleineren Hubraum realisiert wird. Dagegen nimmt der Kraftstoffverbrauch in der Regel zu, wenn eine höhere maximale Leistung gewählt wird, weil dann häufiger ein sehr ineffizienter Teillastbetrieb stattfindet.

Abhängigkeit der Kraftfahrzeugsteuer vom Hubraum

Vor langer Zeit wurde festgelegt, dass die Kraftfahrzeugsteuer nach dem Hubraum eines Fahrzeugs berechnet wird. Angestrebt war an sich eine Besteuerung nach der maximalen Leistung, jedoch galt der Hubraum als eine auf einfachere Weise objektiv zu bestimmende Größe, die im Wesentlichen auch die mögliche Leistung bestimmt. Später wurden zusätzliche Kriterien für die Berechnung der Steuer eingeführt, insbesondere solche, die mit der Abgasqualität und dem CO₂-Ausstoß zu tun haben. Deswegen wird heute mancher Motor mit großem Hubraum weniger stark besteuert als ein kleinerer, wenn eine bessere Schadstoffklasse erreicht wird.

Da die Formel für die Kraftfahrzeugsteuer beispielsweise in Deutschland keine kontinuierliche Abhängigkeit vom Hubraum enthält, sondern gewisse Hubraumklassen vorsieht, werden Motoren häufig so konstruiert, dass der Hubraum nahe am oberen Ende des Bereichs für eine bestimmte Hubraumklasse liegt. Beispielsweise kommt deswegen sehr häufig ein Hubraum von ganz knapp unter zwei Litern vor.

Siehe auch: Hubkolbenmotor, Verbrennungsmotor, Ottomotor, Atkinson-Motor, Dieselmotor