emner:
- Motorens drejningsmoment
- Motorkraft
- Måler drejningsmoment og effekt
- Hestekræfter og kiloWatt
Motorens drejningsmoment:
Motorens drejningsmoment er den kraft, hvormed motorens krumtapaksel roterer. Drejningsmomentet skabes ud fra kombinationen af forbrændingskraften på stemplet og afstanden til krumtapradius. Kraften på stemplet afhænger blandt andet af fyldningsgraden (luftmængden) og brændstofmængden og varierer, fordi vinklen på kraftoverførslen til krumtapstiften løbende ændres. Vi kan beregne det gennemsnitlige stempeltryk ud fra det indikatordiagram eller få pv diagram.
På næste stregtegning ser vi stemplet blive presset ned af forbrændingskraften (p). Dette forbrændingstryk skaber kraft F, stempelkraften. Stempelkraften overføres til krumtapakseltappen (r) via plejlstangen (S). Dette skaber den såkaldte tangentielle kraft (Ft).
Drejningsmomentet beregnes ved hjælp af formlen Ft xr (tangentialkraften ganget med krumtapradius) og udtrykkes i Nm (Newtonmeter).
Undertekst:
p = tryk på stemplet.
F = kraften på stemplet
N = Styrebanekraft
S = Kraft på plejlstangen
r = Krumtapradius
Ft = Tangentialkraft
På grund af det varierende forbrændingstryk og vridningen af krumtap-plejlstangsmekanismen er tangentialkraften heller ikke en konstant størrelse. Vi arbejder derfor med en gennemsnitlig tangential kraft.
Vi kan bestemme tangentialkraften, når vi dekomponerer stempelkraften (se billedet nedenfor og siden "opløse stempelkraft").
Motorens drejningsmoment afhænger udelukkende af kraften på stemplet, fordi alle andre variabler såsom stempeldiameter og krumtapradius er faste motordata. Kraften på stemplet (Fz) udlignes af forbrændingstrykket (p) og afhænger af fyldningsgraden af motoren (ved støkiometrisk blandingsforhold). Det er hovedsageligt droslingen i indsugningsmanifolden, der bestemmer motorens fyldningsniveau.
Den største drosling er forårsaget af gasspjældets position. Gashåndtagets position har størst indflydelse på motorens drejningsmoment: Vi påvirker trods alt motorydelsen ved at ændre gashåndtagets position. I en testopsætning måler vi det maksimale drejningsmoment, der leveres, når gasspjældet er helt åben.
Drejningsmomentet er ikke det samme alle steder ved forskellige hastigheder og fuldt åben gas. På grund af de skiftende gashastigheder og faste ventilåbningsvinkler vil drejningsmomentet kun være optimalt ved en vis hastighed.
På billederne nedenfor ser vi effekt- og momentdiagrammer for to typer dieselmotorer, der bruges i en BMW 3-serie (E9x). Med begge motorer nås momentet ved cirka 1800 o/min, men er klart højere med 320d end med 316d. Begge motorer har en cylinderkapacitet på 2.0 liter. Det højere drejningsmoment muliggøres blandt andet af overladning, ventiler i indsugningsmanifolden og kortlægningen af motorstyringssystemet, der udover moment bestemmer forbrug og udstødningsgas.
Motorkraft:
Udover motorens drejningsmoment nævner fabriksspecifikationerne også motorkraften. Motoreffekten er en multiplikation af motorens drejningsmoment med motorhastigheden. Effekt er faktisk, hvor mange gange momentet kan leveres pr. sekund. Den officielle formel er:
hvor P er effekten i Nm/s eller Watt, M er drejningsmomentet i Nm og ω (omega) er vinkelhastigheden. Bogstavet T bruges også til parret i stedet for M.
Da vinkelhastigheden (ω) er 2 * π * n, hvor n er antallet af omdrejninger pr. sekund, kan vi ændre formlen til:
Som eksempel tager vi en naturligt indsuget firecylindret 2.0 liters FSI-motor med fire ventiler pr. cylinder fra VAG (motorkode: AXW). Vi kan selvfølgelig aflæse drejningsmoment og effekt ud fra grafen, men i dette afsnit beregner vi effekten ud fra drejningsmomentet.
Fakta:
- motormoment: 200 Nm;
- hastighed: 3500 omdr./min = 58,33 omdr./sek.
spurgte: kraften leveret ved den givne hastighed.
Drejningsmomentet og effekten leveret ved 3500 o/min er 200 Nm og 73,3 kW.
Måling af drejningsmoment og effekt:
Drejningsmomentet er direkte ansvarlig for bilens trækkraft. Drejningsmomentet multipliceres med gearkassens transmissionsforhold (i) og den endelige reduktion, og divideres med den belastede radius (rb) af de drevne hjul (se siden beregne gearforhold).
Motorens drejningsmoment måles ved at bremse motoren med gashåndtaget helt åbent ved forskellige hastigheder. Ved at bremse motoren holdes den valgte hastighed konstant. Motorens bremsekraft multipliceret med radius af måleobjektet, som kraften virker på, er da motorens drejningsmoment.
En hvirvelstrømsbremse kan bruges til effektmåling. Målingen foregår direkte på krumtapakslen. Elektromagneter genererer hvirvelstrømme i en metalskive, hvorved bremsekraften bestemmes ved at måle bøjningen af et torsionselement. Når man måler effekten af en motor på en hvirvelstrømsbremse, er hastigheden og drejningsmomentet de målte størrelser. Effekten bestemmes ved hjælp af en beregning (se forrige afsnit).
Et køretøjs kraft kan også måles direkte på hjulene. Dog skal der tages højde for tab på op til 70 %. Disse tab opstår i transmissionen. Akselkraften (kraften målt på hjulene på powertestbænken) kaldes også DIN-hestekræfterne. Effekten målt ved svinghjulet kaldes SAE hestekræfter. SAE står for Society of Automotive Engineers. Værdien af SAE vil derfor altid være højere end DIN.
Testbænkens metalruller er forbundet med en bremsemekanisme, ofte med en hvirvelstrømsbremse. Kraften som rullerne bremses med, sammen med hastigheden på både hjul og krumtapaksel, måles det leverede moment og effekten beregnes. Målingen udføres normalt i højeste eller næsthøjeste gear med gaspedalen helt nede. Et tab på 15 til 30 % er ikke usædvanligt for tohjulstrukne køretøjer. Dynoens computer kompenserer for dette tab ved at måle, hvor meget strøm det tager for dynoen at køre køretøjet. Under denne måling kører køretøjet med koblingen trykket ned.
Producenter eller tunere forsøger at holde momentkurven så flad som muligt, så motorens drejningsmoment forbliver det samme over så mange omdrejninger som muligt. Især kompressormotorer (turbo/kompressor), der øger drejningsmomentet markant, kan på denne måde justeres så niveau som muligt. Også ved at anvende fyldningsniveauforøgende teknikker, som f.eks multi-ventil motorer, variabel ventiltiming eller a variabel indsugningsmanifold koblingsområdet kan holdes så fladt som muligt.
Hvis vi skulle måle drejningsmomentet ved forskellige gashåndtagspositioner, ville vi få en progression som det følgende billede. En sådan måling udføres dog sjældent.
Hestekræfter (hk) og kiloWatt (kW):
For at udtrykke et køretøjs arbejdskapacitet bruges enhederne "hestekræfter" og "kilowatt". Effekten afhænger af momentet pr. sekund. Definitionen af hestekræfter kommer fra dengang, hvor transporten stadig foregik med hest og vogn. Hvis en masse på 75 kg løftes over en afstand på 1 meter inden for 1 sekund, er der leveret en effekt på 1 hestekræfter. Så 1 hestekræfter er 75 kg * 1 meter / 1 sekund.
Hvis vi ser på effekt fra enheden Watt, så er 1 Watt en multiplikation af 1 Newton * 1 meter i sekundet. Vi forkorter dette som [1 Nm/sek].
Hestekræfterne (hk), der bruges i Holland, er nøjagtig den samme som den tyske Pferdestärkte (PS) og den franske Chaval-Vapeur (CH).
1 hk = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 hk
Den engelsk/amerikanske hestekræfter (hk) er større.
1 hk = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 hk
Hvis vi omregner hestekræfter til Watt, skal vi gange massen med tyngdeaccelerationen: 1 HK = 75 kg/sek * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
For at omregne effekten af en motor med 150 hk gange vi antallet af kg/sek. med antallet af hestekræfter. Dette resulterer i: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Vi kan også omregne effekten i watt til hestekræfter. Det gør vi på følgende måde: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 hk. En motor med en effekt på 92 kW producerer ifølge beregningen: (1 * 92) / 0,736 = 125 hk.
