Předměty:
- Točivý moment motoru
- Výkon motoru
- Měření točivého momentu a výkonu
- Výkon a kilowatty
Točivý moment motoru:
Točivý moment motoru je síla, kterou se otáčí klikový hřídel motoru. Točivý moment vzniká kombinací spalovací síly na píst a vzdálenosti poloměru kliky. Síla na píst závisí mimo jiné na stupni plnění (množství vzduchu) a množství paliva a mění se, protože úhel přenosu síly na klikový čep se neustále mění. Můžeme z něj vypočítat průměrný tlak pístu indikátorový diagram nebo získat pv diagram.
Na dalším nákresu vidíme, jak je píst stlačen dolů spalovací silou (p). Tento spalovací tlak vytváří sílu F, sílu pístu. Síla pístu je přenášena na čep klikového hřídele (r) přes ojnici (S). Vzniká tak tzv. tangenciální síla (Ft).
Točivý moment se vypočítá pomocí vzorce Ft xr (tangenciální síla vynásobená poloměrem kliky) a je vyjádřen v Nm (newtonmetrech).
Legenda:
p = tlak na píst.
F = síla působící na píst
N = Síla vodicí dráhy
S = Síla na ojnici
r = Poloměr kliky
Ft = tangenciální síla
V důsledku měnícího se spalovacího tlaku a kroucení klikového ojničního mechanismu není tangenciální síla také konstantní veličinou. Pracujeme tedy s průměrnou tečnou silou.
Tangenciální sílu můžeme určit, když rozložíme sílu pístu (viz obrázek níže a stránka „rozpustit sílu pístu").
Točivý moment motoru závisí výhradně na síle působící na píst, protože všechny ostatní proměnné, jako je průměr pístu a poloměr kliky, jsou pevnými údaji motoru. Síla působící na píst (Fz) je kompenzována spalovacím tlakem (p) a závisí na stupni plnění motoru (při stechiometrickém směšovacím poměru). Je to především škrcení v sacím potrubí, které určuje hladinu naplnění motoru.
Největší škrcení je způsobeno polohou škrtící klapky. Největší vliv na točivý moment motoru má poloha plynu: vždyť změnou polohy plynu ovlivňujeme výkon motoru. V testovacím nastavení měříme maximální točivý moment dodávaný při plně otevřené škrticí klapce.
Točivý moment není při různých otáčkách a plně otevřeném plynu všude stejný. V důsledku měnících se rychlostí plynu a pevných úhlů otevření ventilů bude točivý moment optimální pouze při určité rychlosti.
Na obrázcích níže vidíme diagramy výkonu a točivého momentu dvou typů vznětových motorů používaných v BMW řady 3 (E9x). U obou motorů je točivého momentu dosaženo při přibližně 1800 ot./min, ale u 320d je zřetelně vyšší než u 316d. Oba motory mají objem válců 2.0 litru. Vyšší točivý moment umožňuje mimo jiné přeplňování, ventily v sacím potrubí a mapování systému řízení motoru, který kromě točivého momentu určuje spotřebu a emise výfukových plynů.
Výkon motoru:
Tovární specifikace kromě točivého momentu motoru zmiňují i výkon motoru. Výkon motoru je násobek točivého momentu motoru otáčkami motoru. Výkon ve skutečnosti udává, kolikrát lze dodat točivý moment za sekundu. Oficiální vzorec je:
kde P je výkon v Nm/s nebo Watt, M je točivý moment v Nm a ω (omega) je úhlová rychlost. Písmeno T se také používá pro pár místo M.
Protože úhlová rychlost (ω) je 2 * π * n, kde n je počet otáček za sekundu, můžeme vzorec změnit na:
Jako příklad si vezmeme atmosférický čtyřválcový motor 2.0 l FSI se čtyřmi ventily na válec od VAG (kód motoru: AXW). Točivý moment a výkon samozřejmě můžeme odečíst z grafu, ale v této části počítáme výkon na základě točivého momentu.
fakta:
- točivý moment motoru: 200 Nm;
- rychlost: 3500 ot/min = 58,33 ot/sec.
Chtěl: výkon dodávaný při dané rychlosti.
Točivý moment a výkon dodávaný při 3500 ot./min jsou 200 Nm a 73,3 kW.
Měření točivého momentu a výkonu:
Točivý moment je přímo zodpovědný za tažnou sílu vozu. Točivý moment se vynásobí převodovým poměrem (i) převodovky a koncové redukce a vydělí se zatíženým poloměrem (rb) hnaných kol (viz str. vypočítat převodové poměry).
Točivý moment motoru se měří brzděním motoru s plně otevřenou škrticí klapkou při různých rychlostech. Brzděním motoru se zvolená rychlost udržuje konstantní. Brzdná síla motoru, násobená poloměrem měřeného objektu, na který síla působí, je pak moment motoru.
Pro měření výkonu lze použít vířivou brzdu. Měření probíhá přímo na klikovém hřídeli. Zde elektromagnety generují vířivé proudy v kovovém kotouči, přičemž brzdná síla je určena měřením ohybu torzního prvku. Při měření výkonu motoru na vířivé brzdě jsou měřenými veličinami otáčky a moment. Výkon se určuje pomocí výpočtu (viz předchozí odstavec).
Výkon vozidla lze měřit také přímo na kolech. Je však třeba počítat se ztrátami až 70 %. K těmto ztrátám dochází v převodovce. Výkon na nápravu (výkon měřený na kolech na zkušební stolici) se také nazývá výkon podle DIN. Výkon měřený na setrvačníku se nazývá koňská síla SAE. SAE je zkratka pro Society of Automotive Engineers. Hodnota SAE bude proto vždy vyšší než hodnota DIN.
Kovové válečky zkušební stolice jsou spojeny s brzdným mechanismem, často s vířivou brzdou. Měří se síla, kterou jsou válce brzděny, spolu s otáčkami obou kol a klikového hřídele, dodávaný točivý moment a vypočítává se výkon. Měření se obvykle provádí na nejvyšší nebo druhý nejvyšší převodový stupeň s plně sešlápnutým pedálem plynu. Ztráta 15 až 30 % není u vozů s pohonem dvou kol nic neobvyklého. Počítač dynama kompenzuje tuto ztrátu měřením, kolik energie potřebuje dynamo k řízení vozidla. Během tohoto měření vozidlo jede se sešlápnutou spojkou.
Výrobci nebo ladiči se snaží udržet křivku točivého momentu co nejrovnější, aby točivý moment motoru zůstal stejný v co největším počtu otáček. Zejména přeplňované motory (turbo/kompresor), které výrazně zvyšují točivý moment, lze tímto způsobem co nejvíce upravit. Také použitím technik zvyšování úrovně plnění, jako je např víceventilové motory, variabilní časování ventilů nebo a variabilní sací potrubí oblast spojky může být udržována co nejrovnější.
Pokud bychom změřili točivý moment v různých polohách škrticí klapky, dostali bychom průběh jako na následujícím obrázku. Takové měření se však provádí jen zřídka.
Výkon (hp) a kilowatt (kW):
Pro vyjádření pracovní kapacity vozidla se používají jednotky „koňská síla“ a „kilowatt“. Výkon závisí na točivém momentu za sekundu. Definice koňské síly pochází z doby, kdy se ještě přepravovalo koněm a povozem. Je-li hmota o hmotnosti 75 kilogramů zvednuta na vzdálenost 1 metru během 1 sekundy, byl dodán výkon 1 koňské síly. Takže 1 koňská síla je 75 kg * 1 metr / 1 sekundu.
Pokud se podíváme na výkon z jednotky Watt, pak 1 Watt je násobek 1 Newton * 1 metr za sekundu. Toto označujeme jako [1 Nm/sec].
Výkon (hp) používaný v Nizozemsku je přesně stejný jako u německého Pferdestärkte (PS) a francouzského Chaval-Vapeur (CH).
1 hp = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 hp
Anglický / americký koňský výkon (hp) je větší.
1 hp = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 hp
Pokud převedeme koňskou sílu na watty, musíme hmotnost vynásobit gravitačním zrychlením: 1 HP = 75 kg/s * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
Pro převod výkonu motoru o 150 hp vynásobíme počet kg/sec. s počtem koňských sil. Výsledkem je: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Můžeme také převést výkon ve wattech na koňskou sílu. Děláme to následovně: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 hp. Motor o výkonu 92 kW produkuje podle výpočtu: (1 * 92) / 0,736 = 125 k.
Související stránky:
