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Startergröße und Verbrennungsmotor |
 erforderliche Startermindestleistung |
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Die Antriebsleistung eines Starters darf eine bestimmte Größe nicht unterschreiten, da er sonst den Verbrennungsmotor nicht auf
dessen Startmindestdrehzahl beschleunigen kann oder aber dafür zu lange Zeit benötigt. Bei zu niedrigen Drehzahlen springt der
Motor nicht an! Außerdem soll die Starterleistung genügend groß sein, um die Mindestdrehzahl möglichst schnell zu erreichen, und den Startvorgang
rasch erfolgreich beenden zu können. Ist dabei die Starterleistung größer als die Bremsleistung der Kurbelwelle, so kann der Starter die Drehzahl der
Kurbelwelle erhöhen, im umgekehrten Fall sinkt die Motordrehzahl.
Diese Mindestdrehzahlen betragen für
Der Starter muss die Kurbelwelle gegen den Widerstand der Verbrennungsmotors beschleunigen so daß für die Starterleistung folgende Formel gilt: PSt = PKW + PbPSt Antriebsleistung des StartersPKW Bremsleistung der Kurbelwelle PbLeistungsüberschuss zur Drehzahlsteigerung Analog verhält es sich mit Antriebsdrehmoment des Starters und dem Bremsmoment der Kurbelwelle. MSt=MKW + MbMSt : Antriebsmoment des StartersMKW : Bremsmoment der Kurbelwelle Mb : Momentenüberschuss zur Drehzahlsteigerung
Die Bremsleistung des Motors beim Starten hängt ab von:
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Startergröße und Verbrennungsmotor |
erforderliche Startermindestleistung |
Auswahl der Sarter - Akku - Kombination |
Um die erforderliche Mindestleistung des Starters berechnen zu können
müssen folgende Angaben vorliegen:
Die Zylinderzahl wird z.B. nicht berücksichtigt. Als Temperatur wählt man meist die untere Startgrenztemperatur von -20°C, da dies der ungünstigste Fall ist,wobei der VM seine höchste Bremsleistung entwickelt. Bei dieser Temperatur hat der Akku auch seinen größten Innenwiderstand. (die elektrochemischen Prozesse an den Plattenoberflächen laufen halt bei höheren Temperaturen schneller ab als bei tiefen.) Unter dieser Extrembedingung muß der Starter den Verbrennungsmotor noch sicher auf seine Mindestdrehzahl antreiben können. Bei der Auslegung der Startanlage wird zudem sogar noch berücksichtigt, dass der Akku schon gealtert ist oder nicht voll geladen, so dass nur 3/4 der Nennkapazität zur Verfügung steht. |
Viskosität (n) - Temperatur (T) - Kennlinie
| Aus diesem Diagramm ist ablesbar, welche Viskosität ( = Zähflüssigkeit) das Öl A oder das Öl B
bei welcher Temperatur hat. br> Das Formelzeichen der Viskosität ist n und die zugehörige Einheit mm2/s. Das Öl B, dessen Kennlinie hier abgebildet ist hat z.B. bei 0°C eine Viskosität von 2200mm2/s. Der logarithmische Massstab der Viskositäts- Skala täuscht eine lineare Zunahme der Viskosität mit fallender Temperatur vor. Wenn Sie sich die Kurve in einem Diagramm mit linearen (normalen) Skalen aufzeichnen, erkennen Sie wie extrem steil die Kurve bei kälteren Temperaturen wird. Andere Öle verhalten sich natürlich bei Temperaturänderung anders. So wird im Labor für jedes Öl seine Kennlinie vermessen. Die Ölsorten werden entsprechend ihrer Temperatur-Viskositätskennlinie in unterschiedliche SAE Klassen eingeteilt Heute sind die meisten Motorenöle Mehrbeichsöle, die für Sommer und Winter tauglich sind wie z.B. SAE 5 W- 40 Typ. Startanlagen werden für Starttemperaturen von -20°C ausgelegt. Aus dem Viskositäts-Temperatur Diagramm ist also die Ölviskosität bei dieser Temperatur herauszulesen: n(-20°C ) = 5500 mm2/s. |
Durchdrehwiderstand (M´M) - Hubraum(VH) - Kennlinie
| Um die Kurbelwelle eines Motors mit der Hand zu drehen (Ringschlüssel auf Riemenscheibenschraube)
benötigt man ein bestimmtes Drehmoment. Dieses ist natürlich nicht konstant, sondern nimmt bei der Verdichtung zu, um im Arbeitstakt evtl. sogar
negativ zu werden. Außerdem hängt die Höhe des erforderlichen Drehmoments vom Gesamthubraum und vom Zündverfahren (Otto- /Diesel) bzw.
vom Verdichtungsverhältnis ab. Für Diesel- und Ottomotoren ergibt sich der Zusammenhang zwischen mittlerem Durchdrehwiderstand (Drehmoment) und Hubraum aus dem nebenstehenden Diagramm. Ablesbar ist z.B. dass ein Ottomotor mit 2 Liter Hubraum einen mittleren Durchdrehwiderstand von 85Nm ein gleich großer Dieselmotor jedoch einen mittleren Durchdrehwiderstand von 207 Nm dem Starter entgegensetzt. Diese Kennlinien beziehen sich jedoch auf eine Ölviskosität von 2000 mm2/s. Ist das Öl dünnflüssiger, so hat der Starter leichteres Spiel, bei zäherem Öl ist der mittlere Durchdrehwiderstand größer. |
Korrekturfaktor (fn) - Viskosität (n) - Kennlinie
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Der Korrekturfaktor berücksichtigt den Einfluss der Ölviskosität auf den mittleren Durchdrehwiderstand. Für
die Viskosität 2000 mm2/s ist der Faktor genau 1, denn gerade bei dieser Viskosität wurden die beiden Kinnlinien
(Durchdrehwiderstand als Funktion des Hubraums) ermittelt. Bei dünnerem Öl ist der Faktor kleiner als 1, bei zähflüssigrem Öl größer als 1. Der Korrekturfaktor für Ottomotoren hängt empfindlicher von der Ölviskosität ab als der für Dieselmotoren (steilere Linie). Das liegt an dem niedrigeren Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren. Der Gesamtdurchdrehwiderstand ergibt sich aus dem Reibungswiderstand in den Reibstellen des Motors und Verdichtungswiderstand im Kompressionstakt. Ottomotoren haben aber nur etwa eine halb so starke Verdichtung wie Dieselmotoren. Damit ist klar, dass bei Ottomotoren die Reibung und damit die Ölviskosität einen stärkeren Einfluss auf den gesamten mittleren Durchdrehwiderstand hat als bei Dieselmotoren. So sinkt z.B. bei einem Ottomotor der mittlere Durchdrehwiderstand auf etwa 33% wenn die Viskosität von 2000 mm2/s auf 100 mm2/s sinkt. Bei einem Dieselmotor verringert sich der mittlere Durchdrehwiderstand unter gleichen Bedingungen nur um 50%. |
| Für Otto und Dieselmotoren mit Hubräumen zwischen 0,7l ... 300 l mit der Ölsorte A oder B lässt sich nun der mittlere
Durchdrehwiderstand bei jeder Temperatur im Bereich -20°C ...120°C ermitteln. Dies soll am Beispiel Ottomotor, 2l Hubraum, Ölsorte B, -20°C vorgemacht werden:
Um einen 2 l Ottomotor mit der Ölsorte B bei -20°C durchzudrehen ist ein Drehmoment von 123 Nm erforderlich.Eine geringe Abhängigkeit des Durchdrehwiderstands von der Drehzahl bleibt hier unberücksichtigt. |
| Wenn man den mittleren Durchdrehwiderstand kennt, kann man auch für alle in Frage kommenden Drehzahlen 0/min ... 6500/min
berechnen, welche mittlere Antriebsleistung erforderlich ist, um die Kurbelwelle so schnell zu drehen. Hierbei wird der mittlere Durchdrehwiderstand
als konstant angenommen. Tatsächlich erhöht sich der Durchdrehwiderstand leicht mit steigender Drehzahl, was hier aber vernachlässigt wird. (Es muss aber klar sein, dass die Antriebsleistung gemeint ist, die z.B. ein an die Schwungscheibe angeflanschter Elektromotor benötigt, um die Kurbelwelle anzutreiben. Hier wird nicht die Antriebsleistung eines aus eigener Kraft laufenden Verbrennungsmotors berechnet) 
Diese Leistung lässt sich mit der Formel berechnen:
P = MM * nmin * 2 * pP AntriebsleistungMM mittlerer Durchdrehwiderstand n Motordrehzahl Dieser linear mit der Drehzahl steigende Leistungsbedarf ist in dem Graf links dargestellt. Man kann leicht ablesen, dass es etwa 12kW Antriebsleistung erfordert, nur um diesen 2 l Ottomotor bei -20°C mit leicht erhöhter Leelaufdrehzahl von 1000/min zu betreiben Diese Leistung ist erforderlich ausschließlich zur Überwindung der inneren Reibung im Motor und für die Verdichtung ohne Antrieb von Nebenaggregaten und auch ohne Fahrantrieb! Andersherum kann man sagen, dass der Motor bei einer Drehzahl von 2000/min das Fahrzeug mit einer Leistung von 25kW abbremsen würde, wenn der Fahrer in dem Betriebszustand plötzlich den Fuß vom Fahrpedal nimmt (Schubbetrieb). Auch lässt sich mit der Formel nun ausrechnen, welche Mindestleistung der Starter bringen muss, um die Kurbelwelle auf die erforderliche Startmindestdrehzahl zu bringen. Ist die Startmindestdrehzahl z.B. 120/min, so muss der Starter eine Mindestleistung von 1545W haben. |
erforderliche Startermindestleistung |
Auswahl der Sarter - Akku - Kombination |
Arbeitspunkt |
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Die berechnete Startermindestleistung ist Grundlage zur Auswahl einer passenden Starter-Akku-Kombination. Damit die Startdrehzahl möglichst schnell erreicht wird, reicht es nicht, eine Starter-Akku-Kombination zu wählen, die gerade die Startermindestleistung bringt. Vielmehr sollte die Maximalleistung wesentlich (etwa 2 fach) höher liegen (Überhöhung siehe Kennlinie zum Arbeitspunkt). Man wählt je nach Erfahrung zunächst einen Starter, dessen Nennleistung etwa doppelt so groß ist wie die berechnete Mindestleistung. Da der Starter einen sehr geringen Innenwiderstand hat, fließt beim Starten ein sehr großer Strom. Verschiedene Akkus haben natürlich unterschiedliche Innenwiderstände. Daher ist es nicht verwunderlich, dass ein und derselbe Starter in Kombination mit unterschiedlichen Akkus auch unterschiedliche Leistungen abgibt. Bei der Paarung von Akku und Starter muß darauf geachtet werden, dass weder der Akku noch der Starter überlastet werden. Aufgrund von Überlegungen zur Leistungsanpassung werden ohnehin immer solche Akku-Starter Kombinationen empfohlen, wo der Innenwiderstand, des Akkus ähnlich dem Widerstand des Starters ist. So kann es sein, dass für einen Starter 2 bis 3 unterschiedliche Akkugrößen angeboten werden. Die Hersteller geben daher Kennlinien für die empfehlenswerten Akku-Starter-Kombinationen heraus. Da der Akkuinnenwiderstand stark temperaturabhängig ist, werden Kennlinien für T+20°C und für T = -20°C veröffentlicht. |
Auswahl der Sarter - Akku - Kombination |
Arbeitspunkt |
Daten am Arbeitspunkt |
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LeistungsgleichgewichtDer Arbeitspunkt kennzeichnet den Zustand im Kennlinienfeld eines Starters, wo bei einer bestimmten Starter- bzw. Motordrehzahl die vom Starter abgegebene Leistung gerade der Bremsleistung des Verbrennungsmotors entspricht und wo deswegen zeitlich stabile Bedingungen herrschen (stationärer Zustand)Leistungsangebot des Starters = Leistungsnachfrage der Kurbelwelle. Wäre z.B. das Leistungsangebot des Starters größer als die Nachfrage der Kurbelelle, würde der Starter die Drehzahl der Kurbelwelle weiter erhöhen und wäre damit nicht stabil. PSt=PKW |
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MomentengleichgewichtDer Arbeitspunkt kennzeichnet ebenso den Zustand, wo bei einer bestimmten Starter- bzw. Motordrehzahl das vom Starter abgegebene Drehmoment gerade dem Bremsmoment des Verbrennungsmotors entspricht und wo deswegen zeitlich stabile Bedingungen herrschen.Drehmomentangebot des Starters = Drehmomentnachfrage der Kurbelwelle. Wäre z.B. das Bremsmoment der Kurbelwelle gerade höher als das Antriebsmoment des Starters, so würde die Drehzahl vermindert und wäre damit nicht stabil. MSt=MKW |
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ArbeitspunktBei Leistungsgleichgewicht oder Drehmomentgleichgewicht steht zur Beschleunigung keine Reserve mehr zur Verfügung und die Drehzahl kann ncht weiter steigen. Umgekehrt ist in diesem die Kurbelwelle aber zum Abbremsen des Starters zu schwach, so dass die Drehzahl auch nicht fällt, sie bleibt also konstant. Diese im Gleichgewicht oder im Arbeitspunkt erreichte Drehzahl muss über der Startmindestdrehzahl des Verbrennungsmotors liegen, andernfalls ist die Starter-Akku-Kombination zu schwach ausgewählt. Liegt jedoch diese Drehzahl weit über der Startmidestdrehzahl, so ließe sich erwägen, einen kleineren Starter oder eine schwächere Batterie einzusetzen (Kosten- u. Gewichtsvorteile)Im Starterkennlinienfeld bezeichnet man mit dem Arbeitspunkt gerade die Bedingungen (I, M, n, P, U, h), die im stationären Fall gelten. Die zum Arbeitspunkt gehörenden Werte liegen im Kennlinienfeld des Starters alle auf einer senkrechten Linie bei I(AP) Zur Wahl des Arbeitpunktes gelten folgende Regeln:
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Arbeitspunkt |
Daten am Arbeitspunkt |
Übersetzungsverhältnis |
Aus dem Kennlinienfeld der gewählten Akku-Starter Kombination ergeben sich folgende zum Arbeitspunkt gehörigen Werte:
Alle Werte liegen in dem Kennlinienfeld auf einer Senkrechten durch I(AP) bzw. lassen sich aus diesen Werten errechnen. Aus dem Starterdatenblatt erhält man zusätzliche Werte zum Starterritzel (Zähnezahl Modul) und zur Stromaufnahme der Einrück- u. Haltewicklung. |
Daten am Arbeitspunkt |
Übersetzungsverhältnis |
Schwungraddurchmesser |
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i = n1 / n2 Die Starterdrehzahl n1 am AP entnehme man der Kennlinie, n2 ist die Drehzahl des VM genau dann, wenn P1 = P2 (PSt = PVM) Also gilt: P1 = P2 = MM * n2 * 2 *p Stellt man diese Formel nach n2 um : n2 = P1 / (MM * 2 * pi) Berechnet man auf diese Weise die Kurbelwellendrehzahl am Arbeitspunkt, so muß gelten : n2 >= nmin (Startmindestdrehzahl) |
Übersetzungsverhältnis |
Schwungraddurchmesser |
Leiterquerschnitte |
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z2 = i * z1 (alle notwendigen Daten vorhanden) d2 = m * z2 (Teilkreisdurchmesser = Modul * Zähnezahl) Ist d2 zu groß, AP nach Pmax verschieben und neu berechnen. Bringt diese Methode keinen Erfolg, stärkere Starter-Akku Kombination wählen. Könnte d2 größer gewählt werden, AP nach P |
Schwungraddurchmesser |
Leiterquerschnitte |
999 |
| 1. Starterhauptleitung, Berechnung nach zulässiger Stromdichte (Erwärmung) Jzul = Imax / Aerf Die zulässige Stromdichte für Starterhauptleitung beträgt ausnahmsweise 30 A/mm2 (Kurzeitbetrieb) Imax = Ik / 2 Ik Kurzschlussstrom Berechnung nach zulässigem Spannungsverlust Uvzul = (Imax * l1 * rho) / Aerf wobei Uvzul = 0,5V ( 12 V Nennspannung), und Uvzul = 1,0V ( 24 V Nennspannung) 2. Steuerleitung Die Steuerleitung wird nur auf Spannungsverlust berechnet, wobei Uvzul = 1,4V ( 12 V Nennspannung) und Uvzul = 2,8V ( 24 V Nennspannung) (Europa Tabellenbuch KFZ) Wegen Festigkeit (Vibrationen ...) ist Amin auf 1,5 mm2 festgelegt! |
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