Μαθήματα:
- Ροπή κινητήρα
- Ισχύς κινητήρα
- Μέτρηση ροπής και ισχύος
- Ιπποδύναμη και κιλοβάτ
Ροπή κινητήρα:
Η ροπή του κινητήρα είναι η δύναμη με την οποία περιστρέφεται ο στροφαλοφόρος άξονας του κινητήρα. Η ροπή δημιουργείται από το συνδυασμό της δύναμης καύσης στο έμβολο και της απόστασης της ακτίνας του στρόφαλου. Η δύναμη στο έμβολο εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από τον βαθμό πλήρωσης (ποσότητα αέρα) και την ποσότητα καυσίμου και ποικίλλει επειδή η γωνία μετάδοσης ισχύος στον πείρο του στρόφαλου αλλάζει συνεχώς. Μπορούμε να υπολογίσουμε τη μέση πίεση του εμβόλου από αυτό ενδεικτικό διάγραμμα ή λάβετε διάγραμμα pv.
Στο επόμενο γραμμικό σχέδιο βλέπουμε το έμβολο να ωθείται προς τα κάτω από τη δύναμη καύσης (p). Αυτή η πίεση καύσης δημιουργεί τη δύναμη F, τη δύναμη του εμβόλου. Η δύναμη του εμβόλου μεταδίδεται στον στροφαλοφόρο άξονα (r) μέσω της μπιέλας (S). Αυτό δημιουργεί τη λεγόμενη εφαπτομενική δύναμη (Ft).
Η ροπή υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο Ft xr (η εφαπτομενική δύναμη πολλαπλασιασμένη με την ακτίνα του στρόφαλου) και εκφράζεται σε Nm (Newton μέτρα).
Υπόμνημα:
p = πίεση στο έμβολο.
F = η δύναμη στο έμβολο
N = Δύναμη καθοδήγησης
S = Δύναμη στη μπιέλα
r = Ακτίνα στροφάλου
Ft = Εφαπτομενική δύναμη
Λόγω της μεταβαλλόμενης πίεσης καύσης και της συστροφής του μηχανισμού της μπιέλας στροφάλου, η εφαπτομενική δύναμη δεν είναι επίσης σταθερή ποσότητα. Επομένως εργαζόμαστε με μια μέση εφαπτομενική δύναμη.
Μπορούμε να προσδιορίσουμε την εφαπτομενική δύναμη όταν αποσυνθέσουμε τη δύναμη του εμβόλου (δείτε την παρακάτω εικόνα και τη σελίδα "διαλύουν τη δύναμη του εμβόλου").
Η ροπή του κινητήρα εξαρτάται αποκλειστικά από τη δύναμη στο έμβολο, επειδή όλες οι άλλες μεταβλητές όπως η διάμετρος του εμβόλου και η ακτίνα του στροφάλου είναι σταθερά δεδομένα κινητήρα. Η δύναμη στο έμβολο (Fz) αντισταθμίζεται από την πίεση καύσης (p) και εξαρτάται από το βαθμό πλήρωσης του κινητήρα (σε στοιχειομετρική αναλογία ανάμειξης). Είναι κυρίως το γκάζι στην πολλαπλή εισαγωγής που καθορίζει τη στάθμη πλήρωσης του κινητήρα.
Το μεγαλύτερο στραγγαλισμό προκαλείται από τη θέση της βαλβίδας γκαζιού. Η θέση του γκαζιού έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στη ροπή του κινητήρα: τελικά, επηρεάζουμε την απόδοση του κινητήρα αλλάζοντας τη θέση του γκαζιού. Σε μια ρύθμιση δοκιμής μετράμε τη μέγιστη ροπή που παρέχεται όταν η βαλβίδα γκαζιού είναι πλήρως ανοιχτή.
Η ροπή δεν είναι παντού ίδια σε διαφορετικές ταχύτητες και τέρμα ανοιχτό γκάζι. Λόγω των μεταβαλλόμενων ταχυτήτων του αερίου και των σταθερών γωνιών ανοίγματος της βαλβίδας, η ροπή θα είναι βέλτιστη μόνο σε μια ορισμένη ταχύτητα.
Στις παρακάτω εικόνες βλέπουμε τα διαγράμματα ισχύος και ροπής δύο τύπων κινητήρων ντίζελ που χρησιμοποιούνται σε μια BMW 3-series (E9x). Και με τους δύο κινητήρες η ροπή επιτυγχάνεται περίπου στις 1800 σ.α.λ., αλλά είναι σαφώς υψηλότερη με την 320d σε σχέση με την 316d. Και οι δύο κινητήρες έχουν κυλινδρισμό 2.0 λίτρων. Η υψηλότερη ροπή γίνεται δυνατή, μεταξύ άλλων, με την υπερτροφοδότηση, τις βαλβίδες στην πολλαπλή εισαγωγής και τη χαρτογράφηση του συστήματος διαχείρισης κινητήρα, που εκτός από τη ροπή καθορίζει την κατανάλωση και τις εκπομπές καυσαερίων.
Ισχύς κινητήρα:
Εκτός από τη ροπή του κινητήρα, οι εργοστασιακές προδιαγραφές αναφέρουν και την ισχύ του κινητήρα. Η ισχύς του κινητήρα είναι πολλαπλασιασμός της ροπής του κινητήρα με τις στροφές του κινητήρα. Η ισχύς είναι στην πραγματικότητα πόσες φορές μπορεί να παραδοθεί η ροπή ανά δευτερόλεπτο. Η επίσημη φόρμουλα είναι:
όπου P είναι η ισχύς σε Nm/s ή Watt, M είναι η ροπή σε Nm και ω (ωμέγα) είναι η γωνιακή ταχύτητα. Το γράμμα Τ χρησιμοποιείται επίσης για το ζευγάρι αντί για το Μ.
Δεδομένου ότι η γωνιακή ταχύτητα (ω) είναι 2 * π * n, όπου n είναι ο αριθμός των στροφών ανά δευτερόλεπτο, μπορούμε να αλλάξουμε τον τύπο σε:
Ως παράδειγμα, παίρνουμε έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα 2.0 λίτρων FSI με ατμοσφαιρική αναρρόφηση με τέσσερις βαλβίδες ανά κύλινδρο από το VAG (κωδικός κινητήρα: AXW). Φυσικά μπορούμε να διαβάσουμε τη ροπή και την ισχύ από το γράφημα, αλλά σε αυτή την ενότητα υπολογίζουμε την ισχύ με βάση τη ροπή.
Γεγονότα:
- ροπή κινητήρα: 200 Nm;
- ταχύτητα: 3500 στροφές/λεπτό = 58,33 στροφές/δευτ.
Ερωτηθείς: την ισχύ που παρέχεται με τη δεδομένη ταχύτητα.
Η ροπή και η ισχύς που αποδίδονται στις 3500 rpm είναι 200 Nm και 73,3 kW.
Μέτρηση ροπής και ισχύος:
Η ροπή είναι άμεσα υπεύθυνη για την ελκτική δύναμη του αυτοκινήτου. Η ροπή πολλαπλασιάζεται με τον λόγο μετάδοσης (i) του κιβωτίου ταχυτήτων και την τελική μείωση, και διαιρείται με την ακτίνα φόρτισης (rb) των κινητήριων τροχών (δείτε τη σελίδα υπολογίστε τις σχέσεις μετάδοσης).
Η ροπή του κινητήρα μετράται φρενάροντας τον κινητήρα με το γκάζι τελείως ανοιχτό σε διαφορετικές ταχύτητες. Με το φρενάρισμα του κινητήρα, η επιλεγμένη ταχύτητα διατηρείται σταθερή. Η δύναμη πέδησης του κινητήρα, πολλαπλασιαζόμενη με την ακτίνα του αντικειμένου μέτρησης στο οποίο δρα η δύναμη, είναι τότε η ροπή του κινητήρα.
Για τη μέτρηση ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα φρένο δινορρευμάτων. Η μέτρηση πραγματοποιείται απευθείας στον στροφαλοφόρο άξονα. Οι ηλεκτρομαγνήτες δημιουργούν δινορεύματα σε έναν μεταλλικό δίσκο, όπου η δύναμη πέδησης προσδιορίζεται με τη μέτρηση της κάμψης ενός στοιχείου στρέψης. Κατά τη μέτρηση της ισχύος ενός κινητήρα σε ένα φρένο δινορευμάτων, η ταχύτητα και η ροπή είναι τα μετρούμενα μεγέθη. Η ισχύς προσδιορίζεται μέσω υπολογισμού (βλ. προηγούμενη παράγραφο).
Η ισχύς ενός οχήματος μπορεί επίσης να μετρηθεί απευθείας στους τροχούς. Ωστόσο, πρέπει να ληφθούν υπόψη απώλειες έως και 70%. Αυτές οι απώλειες συμβαίνουν στη μετάδοση. Η ισχύς του άξονα (η ισχύς που μετράται στους τροχούς στον πάγκο δοκιμής ισχύος) ονομάζεται επίσης ιπποδύναμη DIN. Η ισχύς που μετράται στον σφόνδυλο ονομάζεται ιπποδύναμη SAE. Το SAE σημαίνει Society of Automotive Engineers. Επομένως, η τιμή του SAE θα είναι πάντα υψηλότερη από αυτή του DIN.
Οι μεταλλικοί κύλινδροι του πάγκου δοκιμών συνδέονται με μηχανισμό πέδησης, συχνά με φρένο δινορευμάτων. Μετράται η δύναμη με την οποία φρενάρονται οι κύλινδροι, μαζί με την ταχύτητα και των τροχών και του στροφαλοφόρου άξονα, η παραδιδόμενη ροπή και υπολογίζεται η ισχύς. Η μέτρηση πραγματοποιείται συνήθως στην υψηλότερη ή τη δεύτερη υψηλότερη ταχύτητα με το πεντάλ του γκαζιού πλήρως πατημένο. Μια απώλεια 15 έως 30% δεν είναι ασυνήθιστη για τα οχήματα με κίνηση στους δύο τροχούς. Ο υπολογιστής του dyno αντισταθμίζει αυτή την απώλεια μετρώντας πόση ισχύ χρειάζεται για να οδηγήσει το dyno το όχημα. Κατά τη διάρκεια αυτής της μέτρησης, το όχημα πλησιάζει με τον συμπλέκτη πατημένο.
Οι κατασκευαστές ή οι συντονιστές προσπαθούν να διατηρήσουν την καμπύλη ροπής όσο το δυνατόν πιο επίπεδη, έτσι ώστε η ροπή του κινητήρα να παραμένει ίδια σε όσο το δυνατόν περισσότερες στροφές. Συγκεκριμένα, οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες (turbo/compressor) που αυξάνουν σημαντικά τη ροπή μπορούν να ρυθμιστούν όσο το δυνατόν πιο επίπεδα με αυτόν τον τρόπο. Επίσης με την εφαρμογή τεχνικών αύξησης επιπέδου πλήρωσης, όπως π.χ κινητήρες πολλαπλών βαλβίδων, μεταβλητός χρονισμός βαλβίδας ή α μεταβλητή πολλαπλή εισαγωγής η περιοχή ζεύξης μπορεί να διατηρηθεί όσο το δυνατόν πιο επίπεδη.
Αν μετρούσαμε τη ροπή σε διαφορετικές θέσεις γκαζιού, θα παίρναμε μια εξέλιξη όπως η παρακάτω εικόνα. Ωστόσο, μια τέτοια μέτρηση πραγματοποιείται σπάνια.
Ιπποδύναμη (hp) και kiloWatt (kW):
Για να εκφραστεί η ικανότητα εργασίας ενός οχήματος, χρησιμοποιούνται οι μονάδες "ιπποδύναμη" και "κιλοβάτ". Η ισχύς εξαρτάται από τη ροπή ανά δευτερόλεπτο. Ο ορισμός της ιπποδύναμης προέρχεται από την εποχή που η μεταφορά γινόταν ακόμα με άλογα και κάρα. Εάν μια μάζα 75 κιλών ανυψωθεί σε απόσταση 1 μέτρου μέσα σε 1 δευτερόλεπτο, έχει παραδοθεί ισχύς 1 ίππου. Άρα 1 ίππος είναι 75 κιλά * 1 μέτρο / 1 δευτερόλεπτο.
Αν δούμε την ισχύ από τη μονάδα Watt, τότε 1 Watt είναι πολλαπλασιασμός 1 Newton * 1 μέτρο ανά δευτερόλεπτο. Το συντομεύουμε ως [1 Nm / sec].
Η ιπποδύναμη (hp) που χρησιμοποιείται στην Ολλανδία είναι ακριβώς η ίδια με τη γερμανική Pferdestärkte (PS) και τη γαλλική Chaval-Vapeur (CH).
1 ίππος = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 ίπποι
Η αγγλική/αμερικανική ιπποδύναμη (hp) είναι μεγαλύτερη.
1 ίππος = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 ίπποι
Αν μετατρέψουμε την ιπποδύναμη σε Watt, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε τη μάζα με την επιτάχυνση της βαρύτητας: 1 HP = 75 kg/sec * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
Για να μετατρέψουμε την ισχύ ενός κινητήρα με 150 ίππους, πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό των kg/sec. με τον αριθμό της ιπποδύναμης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Μπορούμε επίσης να μετατρέψουμε την ισχύ σε Watts σε ιπποδύναμη. Αυτό το κάνουμε ως εξής: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 hp. Ένας κινητήρας με ισχύ 92 kW παράγει σύμφωνα με τον υπολογισμό: (1 * 92) / 0,736 = 125 hp.
