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
@Marchew bardzo ładnie wyłożone
@Marchew "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)."
Jeszce nie przeczytałem do końca, ale po tym fragmencie dałem pioruna, bo zakładam, że reszta będzie dobra, wracam do czytania XD
@Marchew Musisz się tak wymądrzać? Musisz? Byś lepiej skarpetki posprzątał!
@Marchew
P [KM] = ( n [obr/min] * T [Nm] ) / 7067,307
Ja jednak wolę wzór
P=M*n/9549
Bo jest w kW i łatwiej mi to zapamiętać. Dla większego uproszczenia można wpisać 9550.
@myoniwy Dla maszyn elektrycznych zdecydowanie tak ( ͡^ ͜ʖ ͡^ )
@myoniwy najłatwiej zapamiętać 10000. Do szybkich obliczeń inżynierskich wystarcza.
Holy shit, niespodziewany wartościowy content.
Takie wykłady powinny być na fizyce w szkole - prosty temat, a wszystkie chłopy w klasie by siedziały wpatrzone w tablicę jak zaczarowani
@gumowy_ogur o tym samym pomyslalem
@Marchew
w silniku spalinowym najważniejsze jest duże turbo
@Half_NEET_Half_Amazing
https://i.pinimg.com/736x/0a/83/6b/0a836b80d08483af868148996c96eaac.jpg
Takie starczy?
Czyli w silnikach diesla maksymalna moc jest dostępna wcześniej?
@John_polack Zależy jak na to patrzysz. Diesle nie kręcą sie tak wysoko jak benzyzny.
@John_polack
Jeśli porównać diesla z turbo vs wolnossąca benzyna to tak. Te drugie trzeba zazwyczaj sporo wkręcać na obroty aby pokazały pazurki, turbo diesle często ciągną już "od dołu", a wkręcanie ich na wysokie obroty nie daje aż takiego procentowo przyrostu mocy jak przy wkręcaniu wolnossącej benzyny.
Teraz są popularne uturbione benzyny, wydają się być czymś pomiędzy TDI a wolnossącą benzyną. Ciągną ładnie od dołu ale też dają duże przyrosty mocy przy wkręceniu na wysokie obroty.
Albo jeszcze inaczej, mam wrażenie że w dieslach obroty mocy maksymalnej są znacznie bliżej obrotów "codziennych" niż w przypadku benzyniaków, w szczególności tych wolnossących. Chociaż im nowocześniejsze konstrukcje, tym różnice pomiędzy dieslami a benzyniakami wydają się być mniejsze.
To tylko moje luźne przemyślenia, nie jestem ekspertem.
@Marchew
Jeśli porównać diesla z turbo vs wolnossąca benzyna to tak. Te drugie trzeba zazwyczaj sporo wkręcać na obroty aby pokazały pazurki, turbo diesle często ciągną już "od dołu", a wkręcanie ich na wysokie obroty nie daje aż takiego procentowo przyrostu mocy jak przy wkręcaniu wolnossącej benzyny.
O tak... Moje największe zaskoczenie po przesiadce z TDI na zauważalnie mocniejszą wolnossącą benzynę - gdzie moc? Ciągle miałem wrażenie że coś jest nie tak i że stare TDI jest szybsze i dynamiczniejsze. Tam wciskałem gaz i od razu reakcja (czasami najpierw zrzucił jeden bieg), a tutaj najpierw 2-3 biegi w dół, obroty pod 7k rpm i dopiero jazda. Trochę czasu (i doświadczalne sprawdzenie że dane techniczne jednak nie kłamią) zajęło przyzwyczajenie się do charakterystyki pracy silnika.
@John_polack Jest niższa, dostępna wcześniej i w szerszym zakresie obrotów.
Wprowadzenie do sprzedazy turbodoładowanych jednostek z common rail spowodowało podniesienie mocy, zakres uzytecznych obrotów został podobny.
Dlatego też, oraz z powodu wyższej sprawnosci diesla, dwa takie same pojazdy, z silnikami o zblizonej pojemnosci beda mialy rozne spalanie w zaleznosci od rodzaju silnika, z korzyscia dla diesla.
| Teraz są popularne uturbione benzyny, wydają się być czymś pomiędzy TDI a wolnossącą benzyną. Ciągną ładnie od dołu ale też dają duże przyrosty mocy przy wkręceniu na wysokie obroty.
@Marchew: Nie zgadzam się z tą tezą. Te uturbione benzyny mają zrekompensować spadek pojemności silników i przekonać klienta że z 0.9l turbo, można mieć tyle samo co z 2.0 NA. Bo moc ta sama.
No właśnie że nie, obroty użyteczne są wysoko, wyżej niż w odpowiedniku NA wiekszej pojemności.
Silnik pali dużo, szybko się zużywa.
@maks_kow no nie masz racji. Turbobenzyny są o wiele elastyczniejsze od wolnossaków, bo dzięki doładowaniu masz wysoki moment obrotowy, a więc i proporcjonalnie większą moc na niższych obrotach. Można sobie jechać spokojnie na 2k rpm i po wciśnięciu gazu samochód zaczyna przyspieszać, bez potrzeby redukowania biegu, gdzie wolnossak zdycha. Porównaj sobie przebiegi najpopularniejszych silników 1,5 czy 1,6l wolnossących i uturbionych, to zobaczysz różnicę - a dokładnie jakieś 100 Nm różnicy, czyli ponad połowę więcej.
@Serek_Niehomogenizowany Niby tak, jesli zestawisz 2.0 NA z 2.0T i nie uwzglednisz sporego wzrostu spalania to owszem, masz racje.
Tyle ze producenci nie daja nam takoego wyboru, a wmawiaja ze to nowe jest lepsze. Tymczasem taki na przyklad 0.9 tCe w Clio IV, w osiagach ledwo przeskakuje 1.2 16V z Clio III i jest niemal polowe gorszy niz 2.0 NA.
Do tego, ten 0.9 zdechnie w meczarniach po 150 kkm, gdzie pozostale z wymienionych beda dalej nawijac kilometry.
@Marchew moc = moment * obroty, cieszę się że mogłem pomóc.
Tak ładnie wyłożone, że scrollowałem na samą górę żeby grzmotnąć xD
Brawo, brawo, brawo! W końcu ktoś to napisał! Jak mnie to wkurwiało
Ja spotykałem się bardzo często z artykułami, filmami na YT, gdzie wychodzono od pytania:
Jaka jest <<różnica>> między momentem obrotowym a mocą?
To trochę tak jakby, na przykład, rozpatrywać wodę płynącą w rurze i pytać:
Jaka jest różnica między objętością a ciśnieniem?
<<czy o różnicę tu chodzi ??>>
<<czy to pytanie nie wydaje się absurdalne??>>
To nie o różnicę tu chodzi! Chodzi o to czym jest moc i co opisuje; czego dowiadujemy się obserwując charakterystyki mocy maszyn.
Nie jesteśmy w stanie zmierzyć mocy bezpośrednio, jesteśmy w stanie obliczyć moc (P=M x n) mierząc moment obrotowy oraz prędkością obrotową.
I dla mnie kluczowe w tej kwestii jest to, że moc (jak szybko możemy jechać przy występujących oporach ruchu) generujemy zarówno momentem (jak dużo paliwa nam wybucha w cylindrach), ale równie dobrze obrotami silnika (jak często te wybuchy zachodzą; co jest regulowane przez skrzynie biegów).
Generalnie dobre zrozumienie równania P=M x n samo w sobie pozwala dojść do sedna tego zagadnienia.
@janusz_p0lak Albo prąd czy napięcie
@Marchew jestem całkiem "nietechniczna" i o ile zrozumiałam z Twego wpisu to, że pełna moc silnika jest dostępna tylko przy pewnym zakresie obrotów, to kwestia "maksymalnego momentu obrotowego" dalej jest dla mnie całkowicie niejasna.
@rain Jeśli moc jest zrozumiała to już jest dobrze
Moment obrotowy:
T [Nm] = siła w niutonach F [N] * ramię w metrach l [m]
https://img.brainkart.com/imagebk35/DbaFYu6.png
Na zdjęciu facet dokręca śrubkę. Wyobraź sobie że klucz jest długu na jeden metr, a siła z jaką facet napiera na końcówkę klucza to 100 N (niutonów) = 10 kg
1 kg = 10 N
Teraz wyobraź sobie że ta śruba to końcówka wału korbowego silnika, gdyby doczepić do tego obrotowego trzpienia dźwignię (w taki sposób jak nałożono klucz na śrubkę na obrazku) o długości 1m, byłby w stanie podnieść końcem tego drążka 10kg. Czyli 10 opakowań cukru. W sumie niedużo na coś co potrafi rozpędzić samochód? No nie dużo, ale jak zacznie się bardzo szybko obracać, ta w sumie niewielka siła zacznie działać cuda.
Teraz zdjęcie:
https://i.imgur.com/TQlsrfh.jpg
Wyobraź sobie że jedziesz 90km/h. Prędkość obrotowa silnika wynosi 2000 obr/min (wskazówka obrotów na "2"). Aby utrzymać taką prędkość, silnik musi generować około 20 KM. Co z wzorków wynika że silnik będzie generował około 70 Nm, czyli wspomniany wał korbowy, po doczepieniu tego "metrowego żelastwa", napiera z taką siłą, że końcówka metrowego żelastwa byłaby w stanie podnieść 7 kg. Jeśli wciśniesz gaz do końca, silnik zacznie generować swoje MAX przy tych obrotach, czyli czytając z wykresu około 140 Nm. Czyli końcówka "metrowego żelastwa" mogła by podnieść 14kg, ale tylko 14, bo silnik już więcej nie potrafi. Te 140 Nm wygenerowane przez silnik przy 2000 obrotów, da ostatecznie 40 KM mocy.
Jako 20 KM było wymagane do utrzymania stałej prędkości (pokonanie oporów powietrza itp), to teraz mamy 40KM więc 20 KM nadwyżki. Spowoduje to oczywiście przyspieszanie pojazdu.
@rain
Wyobraź sobie korbę do typowej starej studni głębinowej na łańcuch. Moment obrotowy to siła jaką korba wygeneruje żeby nieopatrznemu nabieraczowi przywalić w łeb jak mu się ześlizgną ręce. Analogicznie moment obrotowy generuje silnik, który przez przekładnie mechaniczna (czyli skrzynie biegów i wał napędowy) przenosi na koła. Maksymalny moment obrotowy to siła jaką silnik przełoży na koła. Z taką siłą będzie kręcił kołami. Maksymalny zwykle jest w tym zakresie 2000-3500 obrotów (najczęściej dla turbodoładowanych), dla wolnossących jest często inny zakres.
@JanuszexMnieDobija
"Maksymalny moment obrotowy to siła jaką silnik przełoży na koła. Z taką siłą będzie kręcił kołami."
Nie jest to prawdą. To co jest przenoszone (z pominięciem strat na skrzyni biegów itp) bezpośrednio z silnika na koła to moc. Parametry prędkość obrotowa i moment obrotowy ulegają zmienia w zależności od przełożenia skrzyni biegów. Jeśli jeden parametr maleje, drugi rośnie, po przemnożeniu dadzą tą samą wartość. Tutaj masz trzy wykresy, od góry: moc na kole, moment na kole, moment na wale silnika.
@Marchew @JanuszexMnieDobija dziękuję za wyjaśnienia, teraz będę je przetrawiać
@Marchew
Prosiła o uproszczone wytłumaczenie, faktyczny moment i moc na kołach oczywiście będzie inny niż ten który jest mierzony na hamowni.
Wiele niedouczonych osób wypisuje w necie różne głupoty, że niby większy moment jest ważniejszy niż moc. Łatwo im wytłumaczyć błąd na przykładzie klucza (dźwigni). Ogromny moment obrotowy może wygenerować nawet małe dziecko jeśli wstawi się je w kierat i da się mu odpowiedni długą dźwignie. Ale cały myk polega nie na momencie, tylko na tym jak szybko dziecko będzie w stanie biegać dookoła tego kieratu. Żeby obracać kołem o promieniu 5m z prędkością 1000 rpm dziecko musiałoby biegać z prędkością odrzutowca. To jest właśnie moc.
Jeśli mówimy już o mocy to warto temat rozszerzyć o <<energię>>, której nie da się <<wytworzyć>> ani <<usunąć>> a jedynie wymusić jej transfer. Energia, nawet w skali całego wszechświata, nigdy nie znika. Zmienia jedynie ''nośnik''.
W naszym przypadku przemieniamy energię chemiczną zgromadzoną w paliwie na energię mechaniczną i cieplną w cylindrach (cieplna to strata, bo nie napędza pojazdu).
Następnie następuje zamiana energii mechanicznej ruchu tłoka na ruch obrotowy układu napędowego, a na końcu na energię kinetyczną pojazdu i wszystkiego co jest w środku :).
Energia podróżuje nam w tym układzie, a jak dużo jej transferujemy w jednostce czasu to właśnie Moc.
Koniec końców okazało się, że analiza mocy maszyn w funkcji prędkości daje nam bardzo dużo informacji o charakterystyce pracy maszyny. Dlatego w kontekście maszyn mówi się głównie o mocy. Jednak to "przepływy" energii to jest to co w istocie maszyny robią.
Maszyny to na przykład pompy, silniki spalinowe czy elektryczne.
@Marchew dzieki wielkie
@Marchew Czyli lecąc dwie paki po autostradzie, mając koło 3300obr z zapiętym siódmym biegiem i jadąc blisko vmax samochodu, to silnik generuje te katalogowe 190KM i po prostu "nie ma mocy", by dalej zwiększać obroty, a przez to i prędkość, nawet jeśli czerwone pole mam od 5000obr?
@tellet Zależy jaki motor, trzeba by obejrzeć wykresik aby ocenić dokładnie. Ale podejrzewam że punkt max mocy będzie wyżej niż 3300, strzelam że około 4 - 4,5k obr/min. Więc prawdopodobnie po zrzuceniu biegu na 6, autko by jeszcze trochę przyspieszyło.
https://i.imgur.com/zyj0hSz.jpg
Tutaj masz wykresik który to obrazuje, widać że w na 5 biegu autko generowało około 62 KM, a po redukcji około 74 KM.
Ogólnie auta konstruuje się tak, aby gdzieś na najwyższym biegu przy v-max osiągały również punkt maksymalnej mocy. Ale może też te szóste, siódme i ósme biegu mogą być nieco na wyrost, aby była ekonomia przy 100km/h i też trzeba bieg zrzucić o 1 w doł aby uzyskać v-max.
@tellet Z ciekawości, podaj jakie auto/motor. Wrzucę do excela.
@Marchew Skoda Kodiaq 2.0TDi 190KM 7DSG
@tellet Wikipedia twierdzi że autko ogarnia 190 KM w zakresie 3500-4000 ob/min. Autko przy tych 3300 obr generuje około 185 KM. Redukcja tutaj nic nie da. Nie znalazłem wykresów z hamowni, ale jeśli Wikipedia jest poprawna, tzn: 190 KM /3500-4000 i moment 400 Nm /1750-3250, to naprawdę genialny silnik.
A że "jedynie" 200km /h , co się dziwić, wielki i ciężki kloc
@Marchew to jest tak napisane, że przeciętny użytkownik nic z tego nie będzie w stanie zrozumieć.
dla mnie moment obrotowy to mówiąc obrazowo jak gdyby miara bezwładności silnika. ile siły użyjesz by zatrzymać ciężki wirujący przedmiot. to jest właśnie charakterystyka diesela. nie trzeba go aż tak kręcić, ale z drugiej strony kręcenie niewiele mu daje. jak ktoś przesiadł się na chwilę z benzyniaka na diesla to łatwo może to wyczuć przy ruszaniu z miejsca przy niskich obrotach, ale też w drugą stronę tak jest i pałowanie do odciny jest bez sensu, wszystko widać na wykresach z hamowni.
@Quake Moment obrotowy a bezwładność silnika to dwa różne parametry. Moment obrotowy nie jest miarą bezwładności silnika.
@Marchew to jak inaczej to wytłumaczysz. prędzej zadusisz benzyniaka na niskich obrotach przy ruszaniu niż diesla
Zaloguj się aby komentować