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effektiver Mitteldruck

Der effektive Mitteldruck bei einem Verbrennungsmotor (in Form eines Hubkolbenmotors) ist ein aus dem erzeugten spezifischen Drehmoment abgeleitetes Maß. Er wird so definiert, dass die pro Arbeitstakt vom Motor abgegebene mechanische Energie dem Produkt von effektivem Mitteldruck und Hubraum entspricht. Diese Größe basiert also nicht etwa auf Messungen des tatsächlichen Drucks im Verbrennungsraum, sondern ist eine fiktive Druckdifferenz zwischen Verbrennungsraum und Außenluft, der in einem stark vereinfachten Modell zu dem beobachteten Drehmoment des Motors führen würde.

Bei dieser Definition sind Energieverluste durch Reibung im Motor und auch in Nebenaggregaten des Motors (z. B. der Kühlwasserpumpe und der Ölpumpe) bereits berücksichtigt – ebenfalls die Energieverluste in den anderen Takten (z. B. Ansaug- und Verdichtungstakt). Der effektive Mitteldruck ist deswegen deutlich geringer als der tatsächliche mittlere Druck auf den Zylinder während eines Arbeitstakts, der als innerer Mitteldruck bezeichnet wird. Im Übrigen ist nicht der absolute Druck gemeint, sondern die Druckdifferenz zwischen Verbrennungsraum und Kurbelgehäuse.

Es gibt auch den Begriff des indizierten Mitteldrucks, welcher anders als der effektive Mitteldruck aus der Volumenarbeit des Arbeitsgases berechnet wird; diese Volumenarbeit wiederum ergibt sich aus dem gemessenen oder berechneten Druckverlauf. Anders als beim effektiven Mitteldruck ist hier die Verminderung der Motorleistung durch Reibungsverluste nicht berücksichtigt. Die Differenz der beiden Werte wird auch als Reibmitteldruck bezeichnet.

Der Spitzendruck, der kurz nach der Zündung entsteht, liegt um ein Mehrfaches höher als der effektive und der innere Mitteldruck; er steht immer nur für kurze Zeit an.

Die Größe des effektiven Mitteldrucks eines Motors hängt von der Motordrehzahl und der Kraftstoffzufuhr ab. Der maximale Wert entsteht in der Regel bei mittleren Drehzahlen (bei Automotoren z. B. bei ca. 3000 Umdrehungen pro Minute) und Vollgas. Bei nicht durchgedrücktem Gaspedal wird der effektive Mitteldruck entsprechend geringer. Im Leerlauf wird er Null und im Schiebebetrieb sogar negativ.

Besonders hohe Werte (oft über 25 bar) erreicht der effektive Mitteldruck bei Dieselmotoren mit Turboaufladung. Dies führt zu einer entsprechend hohen mechanischen Beanspruchung des Kolben und des Kurbeltriebs. Diese Teile müssen also entsprechend robust ausgeführt werden. Bei Benzinmotoren ohne Turboaufladung sind Werte etwas oberhalb von 10 bar normal. Der innere Spitzendruck kann aber auch dann Werte oberhalb von 70 bar erreichen. Dies bedeutet beispielsweise bei einem Kolbendurchmesser von 90 mm eine Schubkraft von über 44 kN, entsprechend dem Gewicht von 4,4 Tonnen.

Der Einfluss der Reibung kann über den sogenannten Reibmitteldruck <$p_\textrm{mr}$> quantifiziert werden, der in der Regel nicht nur die eigentliche Reibung beinhaltet, sondern auch die von Nebenaggregaten (z. B. Ölpumpe, Kühlwasserpumpe, Kühlerventilator, Lichtmaschine, Klimaanlage) konsumierte Motorleistung. Der Reibmitteldruck und vor allem die durch Reibung verlorene Leistung steigt mit zunehmender Motordrehzahl erheblich an, während der Einfluss der Motorlast (des erzeugten Drehmoments) meist recht gering ist.

Jede Leistungssteigerung eines Hubkolbenmotors muss sich in der Erhöhung des effektiven Mitteldrucks oder der Drehzahl äußern, oder von beiden zusammen.

Ein Zahlenbeispiel

Für einen typischen Benzinmotor in einem Kraftfahrzeug (ohne Turboaufladung) kann der effektive Mitteldruck für Vollgas bei rund 12 bar = 1,2 MPa liegen. Die pro Arbeitstakt abgegebene mechanische Energie ist dann 1,2 MPa · 0,0015 m³ = 1,8 kJ, wenn der Hubraum 1,5 Liter beträgt. Dies entspricht einem Drehmoment von 1,8 kJ / 2$\pi$ / 2 = 143 N m. (Der letzte Faktor 2 rührt daher, dass beim Viertaktmotor nur bei jeder zweiten Umdrehung ein Arbeitstakt erfolgt.)

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Hubkolbenmotor, Drehmoment, Leistung, Druck