Moc a Moment obrotowy.
W internetach często można spotkać pytania, czy w silniku spalinowym ważniejsza jest moc czy moment obrotowy? Okazuje się że samo pytanie zawiera już w sobie pewien błąd myślowy, coś w rodzaju "czy twoja żona wciąż się puszcza", obie odpowiedzi są błędne (oby).
A więc co powoduje że auto żwawo przyspiesza, da radę utrzymać prędkość przy dużym wzniesieniu, rozwinie dużą maksymalną prędkość, uciągnie ciężką naczepę?
Moc.
Przyjęło się wyrażać moc silników spalinowych w pojazdach mechanicznych jednostką "koń mechaniczny", bardziej użyteczną jednostką jest wg. mnie kilowat [kW]. Dlaczego? Bo jest jednostką układu SI.
1 koń mechaniczny [KM, PS, hp(M)] = 0,9863 konia parowego [hp, hp(I)] = 0,735 kilowata [kW]
Tak, są konie metryczne i imperialne, nie wiem skąd, co i jak. Po prostu są.
Jednak z uwagi na popularność konia mechanicznego metrycznego (tak mi się przynajmniej wydaje), pozostanę przy nim.
Okej, ale jakimi parametrami zewnętrznymi charakteryzuje się przeciętny silnik spalinowy?
Maksymalny moment obrotowy T [Nm] - czyli największa wartość momentu obrotowego jaki może być generowany przez dany silnik
Maksymalna moc P [KM] - czyli największa wartość mocy jaka może być generowana przez dany silnik
Prędkość obrotowa n [obrm/min] - ilość obrotów wału korbowego w jednostce czasu
Trzeba pamietać że silnik NIE MA MOCY, nie posiada, on co najwyżej moc generuje, w przedziale od zera do wartości maksymalnej.
W przypadku T jak i P są to wartości maksymalne.
Dla prędkości obrotowej n jest to pewien zakres prędkości z którą silnik może pracować, tzn wał korbowy się obracać.
Silnik spalinowy posiada na wyjściu wału korbowego obracający się element, tam gdzie „zapina się” skrzynię biegów. Dokładnie tak samo jak w przypadku silnika elektrycznego. Idąc dalej, tak naprawdę oba przypadki (silnik elektryczny i spalinowy) można potraktować jako czarną skrzynkę z wystawionym kręcącym się wałkiem. Wzorki moc / moment / prędkość obrotowa działają tak samo, fizyka jest ta sama. Oczywiście są pewne różnice w budowie obu, inne sterowanie, nieco inne charakterystyki pracy. Jednak nie ma się co w to zagłębiać, tematem jest moc / moment.
https://i.imgur.com/w17E2rp.jpg
Wartości aktualnie generowane są w zależności od obciążenia.
To znaczy że jeśli jedziesz po autostradzie na najwyższym biegu, z pedałem gazu wciśniętym w podłogę, z prędkością zbliżoną do maksymalnej pojazdu, wtedy najprawdopodobniej silnik generuje moc zbliżoną do maksymalnej, tej podanej przez producenta w katalogu. Natomiast (przyjmując przeciętne auto osobowe) jadąc z stałą prędkością 50km/h silnik w celu utrzymania stałej prędkości musi generować około 9 KM mocy.
dla 90 km/h jest to 20 KM
dla 120 km/h 35 KM
dla 140 km/h 50 KM
dla 160 km/h 70 KM
Jaka jest zależność pomiędzy tymi wielkościami?
Moc = prędkość obrotowa * moment obrotowy
W jednostkach podstawowych układu SI brzmi to następująco:
P = w * T
P [W] – moc wyrażona w watach
w [rad/s] – prędkość kątowa wyrażona w radianach na sekundę
T [Nm] – moment obrotowy wyrażony w Niutonometrach
Przejdźmy na jednostki znane w motoryzacji:
1 KM = 735,5 W
1 obr/min = 0,1047 rad/s
1 Nm – tutaj jest już ok.
Po podstawieniu do „naszych” jednostek tzn:
P [KM] – moc wyrażona w koniach mechanicznych
n [obr/min] – prędkość obrotowa wyrażona w obrotach na minutę
T [Nm] – moment obrotowy wyrażony w Niutonometrach
Uzyskamy:
P [KM] = ( n [obr/min] * T [Nm] ) / 7067,307
I teraz patrzymy na wykres hamowanego civica 1.8:
https://i.imgur.com/fXuwRN5.jpg
Interesują nas krzywe mocy i momentu. Zielony sobie odpuszczamy.
Czyli co to oznacza? Hamownia zmierzyła wartość momentu obrotowego na kołach (bo można też na silniku z pominięciem skrzyni biegów i innych elementów układu przeniesienia napędu) oraz prędkość obrotową silnika.
Wykres mocy (czerwony), to nic innego jak wymnożenie momentu obrotowego T przez prędkość obrotową n.
Tak?
Odczytajmy wartość zmierzonego przez hamownię wartość momentu obrotowego wygenerowanego przez silnik przy prędkości obrotowej 2350 obr/min > 150 Nm.
Następnie podstawiamy do wzoru:
P [KM] = ( n [obr/min] * T [Nm] ) / 7067,307 = 2350 * 150 / 7067,307 = 49,9 KM.
Tak, deptając „w podłogę” silnik zacznie generować 49,9 KM, mimo że producent deklaruje w katalogu moc 140 KM. Ale jak też wykres pokazuje, ten osobnik ma już do dyspozycji około 133 KM, wieloletnie upalanie jednak dało się we znaki.
Mimo buta w podłogę auto nie jedzie, redukujemy 3 biegi w dół, obroty skaczą do 5 500 obrotów.
Czytamy wykres:
5500 obr/min > 160 Nm, ledwo 10 Nm więcej, ale obroty jak w górę, podstawiamy:
P [KM] = ( n [obr/min] * T [Nm] ) / 7067,307 = 5500 * 160 / 7067,307 = 125 KM
Silnik generuje 125 KM - wgniata w fotel!
Tak, moment obrotowy i prędkość obrotowa to tylko składowe parametry wewnętrzne danego silnika. To co daje efekt widoczny dla użytkownika to moc, moc i tylko moc. Moglibyśmy stworzyć silnik który przy 1000 obr/min generuje 700 NM, i pojedzie dokładnie tak samo jak silnik generując 70 NM przy 10 000 obr/min. W obu przypadkach daje to końcowe 100 KM mocy. Taki WIELKI silnik od ciężarówki, pewnie z 30l pojemności vs malutki silniczek z motocykla...
Eksperymenty:
Auto ciężarowe, wyposażone w silnik o mocy 200 KM, wyrzucamy ten silnik wielkości auta osobowego, w jego miejsce wstawiamy silnik benzynowy z osobówki o pojemności 1,6 litra + turbo również o mocy 200 KM. Pojedzie tak samo? Pociągnie tak samo przyczepę? Tak! To po cholerę się robi takie wielkie i ciężkie silniki do ciężarówek, skoro można wsadzić 1.6 z osobówki?
I tutaj odkrywamy wielki marketing koncernów motoryzacyjnych. Klient głupi, klient patrzy na cyferki w karcie katalogowej, 200 KM! Biorę! WoW!
Spójrzcie jeszcze raz na czerwony wykres civica 1,8. Tam moc zbliżona do podanej producenta jest dostępna jedynie w najwyższych partiach obrotów. Silniki do ciężkiej pracy konstruuje się tak, aby te parametry podane przez producenta były dostępne przez większość czasu pracy maszyny. Zazwyczaj są to jednostki, o dużej masie, pojemności, dużej bezwładności. Wspomniana ciężarówka o mocy 200 KM może z tej mocy bezkarnie korzystać na co dzień, setki tysięcy kilometrów nie robią na tej jednostce wrażenia. A teraz wymuś aby biedaczek 1.6 z osobówki produkował taką moc w sposób ciągły, ile ujedzie zanim korba wyjdzie bokiem? 10 000 km? Chyba nie więcej… Producenci nie oszukują, ta moc jest dostępna, ale silnik konstrukcyjnie nie jest przystosowany aby z tej mocy zbyt często korzystać. Dlatego też najważniejsze w silnikach aut osobowych są parametry dostępne w hmmm, nazwę to „użytecznym” zakresie obrotów. Moim skromnym zdaniem dla obecnych niewielkich silników benzynowych jest to zakres w okolicy 2000 – 3500 obr/min.
#mechanikasamochodowa #fizyka #gruparatowaniapoziomu #nauka
