Przedmioty:
- Moment obrotowy silnika
- Motorwermogen
- Pomiar momentu obrotowego i mocy
- Moc i kilowat
Moment obrotowy silnika:
Moment obrotowy silnika to siła, z jaką obraca się wał korbowy silnika. Moment obrotowy powstaje z połączenia siły spalania działającej na tłok i odległości promienia korby. Siła działająca na tłok zależy między innymi od stopnia napełnienia (ilości powietrza) oraz ilości paliwa i zmienia się, ponieważ kąt przeniesienia mocy na trzpień korbowy stale się zmienia. Możemy z niego obliczyć średnie ciśnienie tłoka schemat wskaźników lub pobierz schemat pv.
Na następnym rysunku widać, jak tłok jest popychany w dół przez siłę spalania (p). To ciśnienie spalania wytwarza siłę F, siłę tłoka. Siła tłoka przenoszona jest na czop wału korbowego (r) poprzez korbowód (S). Tworzy to tak zwaną siłę styczną (Ft).
Moment obrotowy oblicza się ze wzoru Ft xr (siła styczna pomnożona przez promień korby) i wyraża się w Nm (niutonometrach).
Podtytuł:
p = ciśnienie na tłoku.
F = siła działająca na tłok
N = siła prowadząca
S = Siła działająca na korbowód
r = promień korby
Ft = siła styczna
Ze względu na zmienne ciśnienie spalania i skręcenie mechanizmu korbowo-korbowodowego, siła styczna również nie jest wielkością stałą. Dlatego pracujemy ze średnią siłą styczną.
Siłę styczną możemy wyznaczyć rozkładając siłę tłoka (patrz rysunek poniżej i strona „rozpuścić siłę tłoka").
Moment obrotowy silnika zależy wyłącznie od siły działającej na tłok, ponieważ wszystkie inne zmienne, takie jak średnica tłoka i promień korby, są stałymi danymi silnika. Siła działająca na tłok (Fz) jest kompensowana przez ciśnienie spalania (p) i zależy od stopnia napełnienia silnika (przy stechiometrycznym stosunku mieszania). O stopniu napełnienia silnika decyduje głównie dławienie w kolektorze dolotowym.
Największe dławienie spowodowane jest położeniem przepustnicy. Największy wpływ na moment obrotowy silnika ma położenie przepustnicy: w końcu zmieniając położenie przepustnicy, wpływamy na osiągi silnika. W konfiguracji testowej mierzymy maksymalny moment obrotowy dostarczany, gdy przepustnica jest całkowicie otwarta.
Moment obrotowy nie jest wszędzie taki sam przy różnych prędkościach i całkowicie otwartej przepustnicy. Ze względu na zmieniające się prędkości gazu i stałe kąty otwarcia zaworów moment obrotowy będzie optymalny tylko przy określonej prędkości.
Na poniższych zdjęciach widzimy wykresy mocy i momentu obrotowego dwóch typów silników wysokoprężnych stosowanych w BMW serii 3 (E9x). W obu silnikach moment obrotowy osiągany jest przy około 1800 obr./min, ale w 320d jest wyraźnie wyższy niż w 316d. Obydwa silniki mają pojemność skokową 2.0 litra. Wyższy moment obrotowy możliwy jest między innymi dzięki doładowaniu, zaworom w kolektorze dolotowym oraz mapowaniu systemu zarządzania silnikiem, który oprócz momentu obrotowego decyduje o zużyciu paliwa i emisji spalin.
Moc silnika:
Oprócz momentu obrotowego silnika specyfikacje fabryczne wymieniają również moc silnika. Moc silnika to iloczyn momentu obrotowego silnika przez prędkość obrotową silnika. Moc to tak naprawdę liczba momentów obrotowych, które można dostarczyć na sekundę. Oficjalna formuła to:
gdzie P to moc w Nm/s lub watach, M to moment obrotowy w Nm, a ω (omega) to prędkość kątowa. Litera T jest również używana w odniesieniu do pary zamiast M.
Ponieważ prędkość kątowa (ω) wynosi 2 * π * n, gdzie n jest liczbą obrotów na sekundę, możemy zmienić wzór na:
Jako przykład bierzemy wolnossący, czterocylindrowy silnik FSI o pojemności 2.0 litra, z czterema zaworami na cylinder, pochodzący z grupy VAG (kod silnika: AXW). Oczywiście możemy odczytać moment obrotowy i moc z wykresu, ale w tej sekcji obliczamy moc na podstawie momentu obrotowego.
Fakty:
- moment obrotowy silnika: 200 Nm;
- prędkość: 3500 obr/min = 58,33 obr/s.
Poszukiwany: moc dostarczona przy danej prędkości.
Moment obrotowy i moc dostarczana przy 3500 obr./min wynoszą 200 Nm i 73,3 kW.
Pomiar momentu obrotowego i mocy:
Moment obrotowy jest bezpośrednio odpowiedzialny za siłę uciągu samochodu. Moment obrotowy mnoży się przez przełożenie (i) skrzyni biegów i końcowej redukcji i dzieli przez obciążony promień (rb) napędzanych kół (patrz strona obliczyć przełożenia).
Moment obrotowy silnika mierzony jest poprzez hamowanie silnikiem przy całkowicie otwartej przepustnicy przy różnych prędkościach. Hamując silnikiem, wybrana prędkość zostaje utrzymana na stałym poziomie. Siła hamowania silnika pomnożona przez promień mierzonego obiektu, na który działa ta siła, stanowi wówczas moment obrotowy silnika.
Do pomiaru mocy można zastosować hamulec wiroprądowy. Pomiar odbywa się bezpośrednio na wale korbowym. Elektromagnesy wytwarzają prądy wirowe w metalowym dysku, przy czym siła hamowania jest określana na podstawie pomiaru zgięcia elementu skrętnego. Podczas pomiaru mocy silnika z hamulcem wiroprądowym mierzonymi wielkościami są prędkość i moment obrotowy. Moc określa się za pomocą obliczeń (patrz poprzedni akapit).
Moc pojazdu można mierzyć także bezpośrednio na kołach. Należy jednak wziąć pod uwagę straty sięgające 70%. Straty te występują w przekładni. Moc na osi (moc mierzona na kołach na stanowisku badawczym mocy) nazywana jest również mocą DIN. Moc mierzona na kole zamachowym nazywana jest mocą SAE. SAE oznacza Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacji. Wartość SAE będzie zatem zawsze wyższa niż wartość DIN.
Metalowe rolki stanowiska badawczego połączone są z mechanizmem hamującym, często z hamulcem wiroprądowym. Mierzona jest siła, z jaką rolki są hamowane, prędkość kół i wału korbowego, dostarczany moment obrotowy i obliczana jest moc. Pomiaru dokonuje się zwykle na najwyższym lub drugim najwyższym biegu, przy całkowicie wciśniętym pedale przyspieszenia. Utrata od 15 do 30% nie jest niczym niezwykłym w przypadku pojazdów z napędem na dwa koła. Komputer hamowni kompensuje tę stratę, mierząc moc potrzebną hamowni do napędzania pojazdu. Podczas tego pomiaru pojazd toczy się z wciśniętym sprzęgłem.
Producenci lub tunery starają się zachować możliwie płaską krzywą momentu obrotowego, aby moment obrotowy silnika pozostał taki sam przez jak największą liczbę obrotów. W szczególności silniki doładowane (turbo/sprężarka), które znacznie zwiększają moment obrotowy, można w ten sposób wyregulować tak poziomo, jak to możliwe. Również poprzez zastosowanie technik zwiększania poziomu napełnienia, takich jak silniki wielozaworowe, zmienne fazy rozrządu lub zmienny kolektor dolotowy obszar sprzęgania może być możliwie płaski.
Gdybyśmy mierzyli moment obrotowy przy różnych położeniach przepustnicy, otrzymalibyśmy postęp jak na poniższym obrazku. Jednak taki pomiar jest rzadko wykonywany.
Moc (KM) i kiloWat (kW):
Aby wyrazić pojemność roboczą pojazdu, stosuje się jednostki „moc” i „kilowat”. Moc zależy od momentu obrotowego na sekundę. Definicja koni mechanicznych pochodzi z czasów, gdy transport odbywał się jeszcze za pomocą koni i wozów. Jeśli w ciągu 75 sekundy na odległość 1 metra zostanie podniesiony ciężar o masie 1 kilogramów, uzyskana zostanie moc 1 konia mechanicznego. Zatem 1 koń mechaniczny to 75 kg * 1 metr / 1 sekunda.
Jeśli spojrzymy na moc wyrażoną w watach, wówczas 1 wat jest wielokrotnością 1 niutona * 1 metr na sekundę. W skrócie określamy to jako [1 Nm/s].
Moc (KM) stosowana w Holandii jest dokładnie taka sama jak w niemieckim Pferdestärkte (PS) i francuskim Chaval-Vapeur (CH).
1 KM = 0,7355 kW
1 kW = 1,3596 KM
Moc konia angielskiego/amerykańskiego (KM) jest większa.
1 KM = 0,7457 kW
1 kW = 1,3410 KM
Jeśli przeliczymy moc na waty, musimy pomnożyć masę przez przyspieszenie ziemskie: 1 KM = 75 kg/s * 9,81 m/s^2 = 7355 W = 0,7355 kW.
Aby przeliczyć moc silnika o mocy 150 KM, mnożymy liczbę kg/s. z liczbą koni mechanicznych. Daje to: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 kW.
Możemy również przeliczyć moc w watach na moc. Robimy to w następujący sposób: 1 / 0,7355 (W) = 1,36 KM. Silnik o mocy 92 kW wytwarza według obliczeń: (1 * 92) / 0,736 = 125 KM.
