Soggetti:
- Coppia del motore
- Motorigeni
- Misurazione di coppia e potenza
- Cavalli e kiloWatt
Coppia motore:
La coppia del motore è la forza con cui ruota l'albero motore del motore. La coppia viene creata dalla combinazione della forza di combustione sul pistone e dalla distanza del raggio della pedivella. La forza sul pistone dipende, tra l'altro, dal grado di riempimento (quantità di aria) e dalla quantità di carburante e varia perché l'angolo di trasmissione della forza al perno di manovella cambia continuamente. Da esso possiamo calcolare la pressione media del pistone diagramma indicatore o ottieni il diagramma pv.
Nel disegno successivo vediamo il pistone spinto verso il basso dalla forza di combustione (p). Questa pressione di combustione crea la forza F, la forza del pistone. La forza del pistone viene trasmessa al perno dell'albero motore (r) tramite la biella (S). Questo crea la cosiddetta forza tangenziale (Ft).
La coppia si calcola utilizzando la formula Ft xr (la forza tangenziale moltiplicata per il raggio della pedivella) ed è espressa in Nm (Newton metri).
Legenda:
p = pressione sul pistone.
F = la forza sul pistone
N = Forza della guida
S = Forza sulla biella
r = Raggio della pedivella
Ft = Forza tangenziale
A causa della variazione della pressione di combustione e della torsione del meccanismo manovella-biella, anche la forza tangenziale non è una quantità costante. Lavoriamo quindi con una forza tangenziale media.
Possiamo determinare la forza tangenziale scomponendo la forza del pistone (vedi immagine sotto e pagina “sciogliere la forza del pistone").
La coppia del motore dipende esclusivamente dalla forza sul pistone, poiché tutte le altre variabili come il diametro del pistone e il raggio della manovella sono dati fissi del motore. La forza sul pistone (Fz) è compensata dalla pressione di combustione (p) e dipende dal grado di riempimento del motore (a rapporto di miscelazione stechiometrico). È soprattutto la strozzatura nel collettore di aspirazione a determinare il livello di riempimento del motore.
La maggiore strozzatura è causata dalla posizione della valvola a farfalla. La posizione dell'acceleratore ha la maggiore influenza sulla coppia del motore: dopo tutto, influenziamo le prestazioni del motore modificando la posizione dell'acceleratore. In una configurazione di prova misuriamo la coppia massima erogata quando la valvola a farfalla è completamente aperta.
La coppia non è la stessa ovunque a velocità diverse e con l'acceleratore completamente aperto. A causa delle variazioni della velocità del gas e degli angoli di apertura fissi della valvola, la coppia sarà ottimale solo a una determinata velocità.
Nelle immagini sottostanti vediamo i diagrammi di potenza e coppia di due tipi di motori diesel utilizzati in una BMW Serie 3 (E9x). Con entrambi i motori la coppia viene raggiunta a circa 1800 giri/min, ma è nettamente superiore con la 320d che con la 316d. Entrambi i motori hanno una cilindrata di 2.0 litri. La coppia più elevata è resa possibile, tra l'altro, dalla sovralimentazione, dalle valvole nel collettore di aspirazione e dalla mappatura del sistema di gestione del motore, che, oltre alla coppia, determina il consumo e le emissioni di gas di scarico.
Potenza del motore:
Nelle specifiche di fabbrica, oltre alla coppia del motore, viene menzionata anche la potenza del motore. La potenza del motore è una moltiplicazione della coppia del motore per la velocità del motore. La potenza è in realtà quante volte la coppia può essere erogata al secondo. La formula ufficiale è:
dove P è la potenza in Nm/s o Watt, M è la coppia in Nm e ω (omega) è la velocità angolare. Anche per la coppia si usa la lettera T al posto della M.
Poiché la velocità angolare (ω) è 2 * π * n, dove n è il numero di giri al secondo, possiamo modificare la formula in:
Prendiamo ad esempio un motore FSI a quattro cilindri da 2.0 litri aspirato con quattro valvole per cilindro della VAG (codice motore: AXW). Naturalmente possiamo leggere la coppia e la potenza dal grafico, ma in questa sezione calcoliamo la potenza in base alla coppia.
Fatti:
- coppia motore: 200 Nm;
- velocità: 3500 giri/min = 58,33 giri/sec.
ha chiesto: la potenza erogata alla velocità data.
La coppia e la potenza erogate a 3500 giri sono di 200 Nm e 73,3 kW.
Misurazione di coppia e potenza:
La coppia è direttamente responsabile della forza di trazione dell'auto. La coppia viene moltiplicata per il rapporto di trasmissione (i) del cambio e della riduzione finale, e divisa per il raggio sotto carico (rb) delle ruote motrici (vedi pagina calcolare i rapporti di trasmissione).
La coppia del motore viene misurata frenando il motore con l'acceleratore completamente aperto a diverse velocità. Frenando il motore la velocità selezionata viene mantenuta costante. La forza frenante del motore, moltiplicata per il raggio dell'oggetto da misurare su cui agisce la forza, costituisce quindi la coppia del motore.
Per la misurazione della potenza è possibile utilizzare un freno a correnti parassite. La misurazione avviene direttamente sull'albero motore. Gli elettromagneti generano correnti parassite in un disco metallico, per cui la forza frenante viene determinata misurando la flessione di un elemento di torsione. Quando si misura la potenza di un motore su un freno a correnti parassite, la velocità e la coppia sono le grandezze misurate. La potenza viene determinata mediante un calcolo (vedi paragrafo precedente).
La potenza di un veicolo può essere misurata anche direttamente sulle ruote. Bisogna però tenere conto delle perdite fino al 70%. Queste perdite si verificano nella trasmissione. La potenza dell'asse (la potenza misurata sulle ruote sul banco prova di potenza) è anche chiamata potenza DIN. La potenza misurata al volano è chiamata potenza SAE. SAE sta per Society of Automotive Engineers. Il valore del SAE sarà quindi sempre superiore a quello del DIN.
I rulli metallici del banco prova sono collegati ad un meccanismo di frenatura, spesso con un freno a correnti parassite. Viene misurata la forza con cui vengono frenati i rulli, unitamente alla velocità sia delle ruote che dell'albero motore, viene misurata la coppia erogata e calcolata la potenza. La misurazione viene solitamente eseguita nella marcia più alta o nella seconda più alta con il pedale dell'acceleratore completamente premuto. Una perdita dal 15 al 30% non è insolita per i veicoli a due ruote motrici. Il computer del banco compensa questa perdita misurando la potenza necessaria al banco per guidare il veicolo. Durante questa misurazione il veicolo procede per inerzia con la frizione premuta.
I produttori o i preparatori cercano di mantenere la curva di coppia quanto più piatta possibile, in modo che la coppia del motore rimanga la stessa per il maggior numero di giri possibile. In questo modo è possibile regolare il più uniformemente possibile in particolare i motori sovralimentati (turbo/compressore) che aumentano notevolmente la coppia. Anche applicando tecniche di aumento del livello di riempimento, come ad esempio motori multivalvole, fasatura variabile delle valvole o collettore di aspirazione variabile la zona di accoppiamento può essere mantenuta quanto più piana possibile.
Se dovessimo misurare la coppia a diverse posizioni dell'acceleratore, otterremmo una progressione come l'immagine seguente. Tuttavia, tale misurazione viene eseguita raramente.
Potenza (CV) e kiloWatt (kW):
Per esprimere la capacità di lavoro di un veicolo si utilizzano le unità “cavalli” e “kilowatt”. La potenza dipende dalla coppia al secondo. La definizione di potenza risale all'epoca in cui il trasporto avveniva ancora con cavalli e carri. Se una massa di 75 chilogrammi viene sollevata per una distanza di 1 metro in 1 secondo, è stata erogata una potenza di 1 cavallo vapore. Quindi 1 cavallo equivale a 75 kg * 1 metro/1 secondo.
Se consideriamo la potenza dall'unità Watt, allora 1 Watt è una moltiplicazione di 1 Newton * 1 metro al secondo. Lo abbrevieremo come [1 Nm / sec].
La potenza (CV) utilizzata nei Paesi Bassi è esattamente la stessa del Pferdestärkte tedesco (PS) e del Chaval-Vapeur francese (CH).
1 CV = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 CV
La potenza inglese/americana (hp) è maggiore.
1 CV = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 CV
Se convertiamo la potenza in Watt, dobbiamo moltiplicare la massa per l'accelerazione di gravità: 1 HP = 75 kg/sec * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
Per convertire la potenza di un motore da 150 CV moltiplichiamo il numero di kg/sec. con il numero di cavalli. Ciò si traduce in: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Possiamo anche convertire la potenza in Watt in cavalli. Lo facciamo come segue: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 CV. Un motore con una potenza di 92 kW produce secondo il calcolo: (1 * 92) / 0,736 = 125 CV.
