Aiheet:
- Moottorin vääntömomentti
- Moottorin teho
- Vääntömomentin ja tehon mittaus
- Hevosvoimaa ja kilowattia
Moottorin vääntömomentti:
Moottorin vääntömomentti on voima, jolla moottorin kampiakseli pyörii. Vääntömomentti syntyy mäntään kohdistuvan palamisvoiman ja kammen säteen etäisyyden yhdistelmästä. Mäntään kohdistuva voima riippuu muun muassa täyttöasteesta (ilmamäärästä) ja polttoainemäärästä ja vaihtelee, koska voimansiirron kulma kammen tappiin muuttuu jatkuvasti. Voimme laskea siitä keskimääräisen männänpaineen indikaattorikaavio tai hanki pv-kaavio.
Seuraavassa viivapiirroksessa nähdään polttovoiman (p) painavan männän alaspäin. Tämä palamispaine synnyttää voiman F, männän voiman. Männän voima välittyy kampiakselin tappiin (r) kiertokangen (S) kautta. Tämä luo niin sanotun tangentiaalisen voiman (Ft).
Vääntömomentti lasketaan kaavalla Ft xr (tangentiaalinen voima kerrottuna kammen säteellä) ja ilmaistaan Nm:nä (newtonmetreinä).
Alaotsikko:
p = paine männässä.
F = mäntään kohdistuva voima
N = Ohjausvoima
S = kiertokankeen kohdistuva voima
r = Kammen säde
Ft = Tangentiaalinen voima
Vaihtelevan palamispaineen ja kammen kiertokankimekanismin kiertymisen vuoksi tangentiaalinen voima ei myöskään ole vakiosuure. Siksi työskentelemme keskimääräisellä tangentiaalisella voimalla.
Voimme määrittää tangentiaalisen voiman, kun hajotamme männän voimaa (katso alla oleva kuva ja sivu "purkaa männän voimaa").
Moottorin vääntömomentti riippuu yksinomaan mäntään kohdistuvasta voimasta, koska kaikki muut muuttujat, kuten männän halkaisija ja kammen säde, ovat kiinteitä moottoritietoja. Mäntään kohdistuvaa voimaa (Fz) kompensoi palamispaine (p) ja se riippuu moottorin täyttöasteesta (stoikiometrisellä sekoitussuhteella). Pääasiassa imusarjan kuristus määrää moottorin täyttötason.
Suurin kuristus johtuu kuristusventtiilin asennosta. Kaasuvivun asennolla on suurin vaikutus moottorin vääntömomenttiin: vaikutammehan moottorin suorituskykyyn muuttamalla kaasun asentoa. Testiasetuksissa mitataan maksimivääntömomentti, joka saadaan, kun kaasuventtiili on täysin auki.
Vääntömomentti ei ole sama kaikkialla eri nopeuksilla ja täysin auki kaasulla. Vaihtuvien kaasunopeuksien ja kiinteiden venttiilin avautumiskulmien vuoksi vääntömomentti on optimaalinen vain tietyllä nopeudella.
Alla olevissa kuvissa näemme BMW 3-sarjan (E9x) kahden tyyppisen dieselmoottorin teho- ja vääntömomenttikaaviot. Molemmilla moottoreilla vääntömomentti saavutetaan noin 1800 rpm:llä, mutta se on selvästi suurempi 320d:llä kuin 316d:llä. Molempien moottoreiden sylinteritilavuus on 2.0 litraa. Suuremman vääntömomentin mahdollistavat muun muassa ahto, imusarjan venttiilit ja moottorin ohjausjärjestelmän kartoitus, joka vääntömomentin lisäksi määrää kulutuksen ja pakokaasupäästöt.
Moottorin teho:
Tehdastiedoissa mainitaan moottorin vääntömomentin lisäksi myös moottorin teho. Moottorin teho on kertomalla moottorin vääntömomentti moottorin nopeudella. Teho on itse asiassa kuinka monta kertaa vääntömomentti voidaan toimittaa sekunnissa. Virallinen kaava on:
missä P on teho Nm/s tai watteina, M on vääntömomentti Nm:nä ja ω (omega) on kulmanopeus. T-kirjainta käytetään myös pariskunnalle M:n sijaan.
Koska kulmanopeus (ω) on 2 * π * n, missä n on kierrosten määrä sekunnissa, voimme muuttaa kaavan seuraavasti:
Esimerkkinä otamme vapaasti hengittävän nelisylinterisen 2.0 litran FSI-moottorin, jossa on neljä venttiiliä per sylinteri VAG:sta (moottorikoodi: AXW). Voimme tietysti lukea vääntömomentin ja tehon kaaviosta, mutta tässä osiossa lasketaan teho vääntömomentin perusteella.
Faktat:
- moottorin vääntö: 200 Nm;
- nopeus: 3500 kierrosta/min = 58,33 rp/s.
Kysyi: annetulla nopeudella toimitettu teho.
Vääntö ja teho 3500 rpm:llä ovat 200 Nm ja 73,3 kW.
Vääntömomentin ja tehon mittaus:
Vääntömomentti on suoraan vastuussa auton vetovoimasta. Vääntömomentti kerrotaan vaihteiston välityssuhteella (i) ja lopullisella vähennyksellä ja jaetaan vetävien pyörien kuormitussäteellä (rb) (katso sivu laskea välityssuhteet).
Moottorin vääntömomentti mitataan jarruttamalla moottoria kaasuläppä täysin auki eri nopeuksilla. Moottoria jarruttamalla valittu nopeus pysyy vakiona. Moottorin jarrutusvoima kerrottuna sen mittauskohteen säteellä, johon voima vaikuttaa, on tällöin moottorin vääntömomentti.
Tehon mittaamiseen voidaan käyttää pyörrevirtajarrua. Mittaus tapahtuu suoraan kampiakselilta. Sähkömagneetit synnyttävät pyörrevirtoja metallilevyyn, jolloin jarrutusvoima määritetään mittaamalla vääntöelementin taivutus. Mitattaessa moottorin tehoa pyörrevirtajarrulla nopeus ja vääntömomentti ovat mitattuja suureita. Teho määritetään laskennalla (katso edellinen kappale).
Ajoneuvon teho voidaan mitata myös suoraan pyöristä. Kuitenkin jopa 70 %:n tappiot on otettava huomioon. Nämä häviöt tapahtuvat vaihteistossa. Akselivoimaa (voiman testipenkillä pyöriltä mitattua tehoa) kutsutaan myös DIN-hevosvoimaksi. Vauhtipyörästä mitattua tehoa kutsutaan SAE-hevosvoimaksi. SAE on lyhenne sanoista Society of Automotive Engineers. SAE:n arvo on siksi aina suurempi kuin DIN:n.
Koepenkin metallirullat on kytketty jarrumekanismiin, usein pyörrevirtajarrulla. Voima, jolla rullia jarrutetaan, yhdessä pyörien ja kampiakselin nopeuden kanssa mitataan toimitettu vääntömomentti ja lasketaan teho. Mittaus suoritetaan yleensä korkeimmalla tai toiseksi korkeimmalla vaihteella kaasupoljin täysin painettuna. 15–30 %:n menetys ei ole epätavallista kaksipyörävetoisissa ajoneuvoissa. Dynon tietokone kompensoi tämän menetyksen mittaamalla, kuinka paljon tehoa dyno kuluttaa ajoneuvon ajamiseen. Tämän mittauksen aikana ajoneuvo pyörii vapaasti kytkin painettuna.
Valmistajat tai virittäjät yrittävät pitää vääntömomenttikäyrän mahdollisimman tasaisena, jotta moottorin vääntömomentti pysyy samana mahdollisimman monella kierroksella. Erityisesti vääntömomenttia merkittävästi lisäävät ahdetut moottorit (turbo/kompressori) voidaan tällä tavalla säätää mahdollisimman tasaiseksi. Myös soveltamalla täyttöastetta lisääviä tekniikoita, kuten moniventtiilimoottorit, säädettävä venttiilin ajoitus tai a muuttuva imusarja kytkentäalue voidaan pitää mahdollisimman tasaisena.
Jos mittaamme vääntömomentin eri kaasuasennossa, saisimme seuraavan kuvan kaltaisen etenemisen. Tällaista mittausta tehdään kuitenkin harvoin.
Hevosvoimat (hv) ja kilowatti (kW):
Ajoneuvon työkapasiteetin ilmaisemiseksi käytetään yksiköitä "hevosvoima" ja "kilowatti". Teho riippuu vääntömomentista sekunnissa. Hevosvoiman määritelmä on peräisin ajalta, jolloin kuljetus tapahtui vielä hevoskärryillä. Jos 75 kilogramman massa nostetaan 1 metrin matkalta 1 sekunnissa, on toimitettu 1 hevosvoiman teho. Joten 1 hevosvoima on 75 kg * 1 metri / 1 sekunti.
Jos tarkastelemme tehoa yksiköstä watti, niin 1 watti on kerroin 1 Newton * 1 metri sekunnissa. Lyhennämme tästä [1 Nm/s].
Hollannissa käytetyt hevosvoimat (hv) ovat täsmälleen samat kuin saksalaisen Pferdestärkte (PS) ja ranskalaisen Chaval-Vapeur (CH).
1 hv = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 hv
Englanti/amerikkalainen hevosvoima (hp) on suurempi.
1 hv = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 hv
Jos muunnetaan hevosvoimat watteiksi, meidän on kerrottava massa painovoiman kiihtyvyydellä: 1 HP = 75 kg/s * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
Muuntaaksesi 150 hv:n moottorin tehon, kerromme määrän kg/s. hevosvoimien lukumäärän kanssa. Tuloksena on: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Voimme myös muuntaa tehon watteina hevosvoimaiksi. Teemme tämän seuraavasti: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 hv. Moottori, jonka teho on 92 kW, tuottaa laskelman mukaan: (1 * 92) / 0,736 = 125 hv.
Aiheeseen liittyvät sivut:
