Verbrauchskennfeld

Das Verbrauchskennfeld, auch Muscheldiagramm, Muschelkurve oder Wirkungsgradkennfeld genannt,[1] stellt den spezifischen Kraftstoffverbrauch über dem effektiven Mitteldruck und der Drehzahl eines Verbrennungsmotors dar.

Verbrauchskennfeld des smart forfour und Mitsubishi Colt DI-D Dreizylinder-Dieselmotors mit 1,5 l Hubraum; Parameter: Spezifischer Kraftstoffverbrauch in g/kWh. Der Bestpunkt (206 g/kwh) liegt etwa bei 2200/min und 15,3 bar, bei der höchsten Leistung verbraucht der Motor etwa 250 g/kwh.

Das Kennfeld ist auf der Abszisse durch die Mindest- und Höchstdrehzahl und auf der Ordinate durch die Volllastkurve des Verbrennungsmotors begrenzt. Linien mit gleichem spezifischen Kraftstoffverbrauch formen dabei ein Muschelmuster, daher auch die Bezeichnung „Muscheldiagramm“. Die Drehzahl wird gemeinhin in Umdrehungen pro Minute (1/min; min⁻¹) angegeben, statt des Mitteldrucks kann auch das Drehmoment aufgetragen sein und der Verbrauch kann in g/kWh (in älterer Literatur auch g/PSh) oder als Wirkungsgrad (η) in Prozent angegeben werden.

Aus dem Kennfeld kann zum Beispiel für jede mögliche Kombination aus Drehzahl und effektivem Mitteldruck der daraus resultierende spezifische Kraftstoffverbrauch abgelesen werden. Hieraus wird ersichtlich, dass außer für die Höchstleistung für jede geforderte Motorleistung P (die proportional zu $p_{e}\cdot \omega$ ist) mehrere Betriebspunkte mit unterschiedlichem Kraftstoffverbrauch möglich sind.

Das Verbrauchskennfeld gibt auch Auskunft über den Wirkungsgrad eines Motors, wenn die Kraftstoffart berücksichtigt wird. So entspricht ein spez. Kraftstoffverbrauch von 210 g/kWh etwa 40 % Wirkungsgrad bei Diesel- und Ottokraftstoffen, bei Erdgas wird dieser Wirkungsgrad bei 200 g/kWh erreicht.[2]

Typische Spitzenwerte im Bestpunkt[3] sind:

160–180 g/kWh für langsam laufende 2-Takt-Schiffsdiesel im Schwerölbetrieb (bis ca. 55 % Wirkungsgrad, Drehzahlen unter 300/min, kombinierter Diesel-Dampfprozess.);
210–195 g/kWh bei Diesel-Pkw mit Aufladung und Ladeluftkühlung;
225–195 g/kWh bei Lkw mit Aufladung und Ladeluftkühlung;
350–250 g/kWh bei Pkw-Saugmotoren mit Ottokraftstoff.

Wirkungsgrad

Bei motorischen Anwendungen ist nur der Heizwert relevant. Wenn die spezifische Energie des Treibstoffs ( $H_{i}$ ) und der spezifische Kraftstoffverbrauch der Maschine ( $b_{e}$ ) bekannt ist, kann der effektive (Nutz-)Wirkungsgrad ausgerechnet werden.

Beispiel: Motorenbenzin oder Dieselkraftstoff haben einen Heizwert von etwa 11,6 kWh/kg (11,1 bis 11,9); hat ein Automotor im Bestpunkt einen Verbrauch von etwa 0,22 kg/kWh, berechnet sich daraus folgender Wirkungsgrad an der Kurbelwelle:

\eta _{e}={\frac {1}{{H_{i}}\cdot {b_{e}}}}

also: 1 / (11,6 × 0,22) = 39 %

Literatur

Richard van Basshuysen/Fred Schäfer (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven, 3. Auflage 2005, Vieweg+Teubner Verlag.

Einzelnachweise

Dieter Lohse und Werner Schnabel: Grundlagen der Straßenverkehrstechnik und der Verkehrsplanung: Band 1, Beuth Verlag, 2011, ISBN 9783410172710.
Rainer Golloch, „Downsizing bei Dieselmotoren“, Abschnitt 2.1.3 Verbrennung, 1. Auflage 2005, Springer Berlin Heidelberg, ISBN 3-540-23883-2.
nach Tabelle 1 in Konrad Reif, „Dieselmotor-Management im Überblick“, Abschnitt Springer Fachmedien Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-06554-6.

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[1] Dieter Lohse und Werner Schnabel: Grundlagen der Straßenverkehrstechnik und der Verkehrsplanung: Band 1, Beuth Verlag, 2011, ISBN 9783410172710.

[2] Rainer Golloch, „Downsizing bei Dieselmotoren“, Abschnitt 2.1.3 Verbrennung, 1. Auflage 2005, Springer Berlin Heidelberg, ISBN 3-540-23883-2.

[3] Tabelle 1 in Konrad Reif, „Dieselmotor-Management im Überblick“, Abschnitt Springer Fachmedien Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-06554-6.