Hubraum

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Animation eines Vierzylinder-Viertaktmotors. Der Hubraum ist orange eingefärbt.

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 dem Kolbenring bzw. der inneren Zylinderwand umschlossene Kreisfläche Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A} anzusehen:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A = \pi \cdot r^2,}

wobei Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle 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 Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V} ergibt sich also mit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A_w} als wirksamer Kolbenfläche und $h$ als Hubweg zu

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_h = A_w \cdot h,}

wobei als Maßeinheit meist Kubikzentimeter oder Liter verwendet wird.

Bei gleichen Parametern (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 zwischen dem einzelnen Zylinderhubraum Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_h} und dem Gesamthubraum Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_H} einer Maschine, der gleich der Summe aller Zylinderhubräume ist und sich bei baugleichen Zylindern durch Multiplikation des Zylinderhubraums mit der Anzahl Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle Z} 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. Sind Hub und Bohrung gleich groß, so spricht man von einem quadratischen Hubverhältnis.

Berechnung

Wichtige Größen:

$V_{h}=$ Zylinderhubraum

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_H =} Motorhubraum

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_c =} Verdichtungsraum

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V =} Verbrennungsraum

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle Z =} Zylinderanzahl

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d =} Zylinderdurchmesser (Bohrung)

$r=$ Zylinderradius ($=d/2$)

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle h =} Kolbenhub (auch Hubweg oder kurz Hub), üblich ist auch die Bezeichnung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle s}

Zylinderhubraum

Der Hubraum ist das Volumen zwischen dem unteren und oberen Totpunkt des Kolbens eines Motorzylinders und wird üblicherweise in cm³ oder in l angegeben. Es gilt:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_h = r^2 \cdot \pi \cdot h} .

Motorhubraum

Für Mehrzylinder-Motoren mit $Z$ Zylindern gilt, sofern die einzelnen Zylinder gleiche Hubräume aufweisen,

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V_H = V_h \cdot Z.}

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

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle 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.

Im Allgemeinen ähnelt der Brennraum kurz nach der Zündung, also dann, wenn das Gas am heißesten ist, einem flachen Zylinder, hat also eine große Oberfläche im Verhältnis zum Rauminhalt. Je kleiner die Zylinderbohrung und je länger der Hub ist, desto weniger flach ist die Form des Brennraums zu diesem Zeitpunkt, desto kleiner ist die Brennraumoberfläche und desto geringer sind die Wärmeleitungsverluste durch sie.

Langhuber haben deshalb 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 mittleren Arbeitsdruck bestimmt die Größe des Hubraums das Drehmoment. Hubraum, Mitteldruck und Drehzahl zusammen beeinflussen die Leistung.

Faustformel für Saugmotoren: Der Wert für das maximale Drehmoment 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 zunehmend auch 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 240 Nm), ist davon auszugehen, dass der Motor aufgeladen ist, etwa über einen Abgasturbolader oder einen Kompressor.

Hubraum und Kfz-Steuer

Der Hubraum ist in vielen Ländern ein Faktor, der die Höhe der Kraftfahrzeugsteuer beeinflusst. Früher war sie in Deutschland sogar der einzige Faktor. Da die Steuern meist gestaffelt sind (zum Beispiel je angefangene 100 cm³), wurden und werden Motoren meist mit Hubräumen knapp unter diesen Grenzwerten gebaut, zum Beispiel 1998 cm³ statt 2000 cm³. 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 = Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle 0{,}78 \cdot d^2 \cdot h \cdot Z} (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d =} Bohrung, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle h=} Hub, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle Z =} Zylinderzahl; Bohrung $d$ und Hub Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle h} sind vor der Berechnung auf halbe Millimeter, das Ergebnis auf volle Kubikzentimeter abzurunden. Anmerkung: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \pi/4} wird hier auf 0,78 abgerundet, daher weicht der Hubraum nach alter Steuerformel recht deutlich nach unten vom tatsächlichen Hubraum ab).
• Neue EU-Steuerformel: Gesamthubraum Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle = 0{,}7854 \cdot d^2 \cdot h \cdot Z} (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d =} Bohrung, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle h =} Hub, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle Z =} Zylinderzahl; Bohrung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d} und Hub $h$ werden auf volle Millimeter kaufmännisch gerundet; Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \pi/4} wird hier auf 0,7854 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 maximale 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 verwendet, Näheres im Artikel Steuer-PS.

Auch zahlreiche Gesetze, etwa das deutsche Kraftfahrzeugsteuergesetz, nehmen den Hubraum als Bemessungsgrundlage, zum Beispiel Führerscheinklassen bei Kleinkrafträdern. 30,3 Prozent der in Deutschland 2008 erstmals zugelassenen PKW hatten 1800 bis 1999 cm³ Hubraum.

Verwandte Themen

• Verdichtungsverhältnis Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \epsilon} bezeichnet das Verhältnis der Volumina im Zylinder vor und nach der Verdichtung.

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.