O mo­cy i mo­men­cie ob­ro­to­wym, pa­ra­me­trach cha­rak­te­ry­zu­ją­cych jed­nost­kę na­pę­do­wą sa­mo­cho­du, sły­szał nie­mal każ­dy. Po­wszech­nie wia­do­mo rów­nież, że gdy­by nie brać pod uwa­gę zu­ży­cia pa­li­wa to im wyż­sze war­to­ści obu, tym le­piej. I cho­ciaż jest to praw­da nie pod­le­ga­ją­ca dys­ku­sji, to jed­nak nie­wie­le mó­wi o cha­rak­te­rze tych wiel­ko­ści i re­la­cjach mie­dzy ni­mi. A wa­tro po­siąść w tym wzglę­dzie wie­dzę nie­co szer­szą, cho­ciaż­by po to, aby de­cy­du­jąc się na za­kup sa­mo­cho­du do­brać do wła­snych po­trzeb naj­lep­szy do­stęp­ny sil­nik, lub le­piej wy­ko­rzy­stać wła­ści­wo­ści te­go, któ­ry już mru­czy nam pod ma­ską.

Oba in­te­re­su­ją­ce nas po­ję­cia ści­śle de­fi­niu­je fi­zy­ka. W ru­chu li­nio­wym dzia­ła­jąc si­łą na cia­ło uzy­sku­je­my prze­su­nię­cie, w za­leż­no­ści od jej war­to­ści więk­sze, mniej­sze, cza­sem ze­ro­we. Mno­żąc war­to­ści prze­su­nię­cia i si­ły do­wie­my się czy i ja­ką wy­ko­na­li­śmy pra­cę, tę z ko­lei mo­że­my po­dzie­lić przez czas, ja­ki pra­ca trwa­ła, by uzy­skać in­for­ma­cje ja­ką ma­my moc.

Pro­blem za­czy­na się jed­nak gdy w po­dob­ny spo­sób chce­my opi­sać ruch ob­ro­to­wy. Tu­taj prze­su­nię­cie za­le­ży nie tyl­ko od war­to­ści si­ły, ale rów­nież od te­go w ja­kiej od­le­gło­ści od środ­ka ob­ro­tu ona dzia­ła. Tę od­le­głość na­zy­wa­my umow­nie ra­mie­niem si­ły. Na­to­miast ilo­czyn ra­mie­nia si­ły i jej war­to­ści da­je tzw. mo­ment ob­ro­to­wy. Da­lej jest już ła­two. Mno­żąc ob­li­czo­ny mo­ment ra­zy dro­gę ką­to­wą ma­my pra­cę, a ra­zy pręd­kość ką­to­wą, otrzy­mu­je­my moc.

By jed­nak nie za­nu­dzać su­chą fi­zy­ką wróć­my do me­ri­tum. Wał kor­bo­wy jed­nost­ki na­pę­do­wej jest kla­sycz­nym przy­kła­dem cia­ła po­ru­sza­ją­ce­go się ru­chem ob­ro­to­wym. Ka­ta­lo­go­we war­to­ści mo­men­tu ob­ro­to­we­go i mo­cy to nic in­ne­go jak po­wyż­sze za­leż­no­ści uży­te do scha­rak­te­ry­zo­wa­nia te­go ru­chu. Wy­star­czy tyl­ko zna­leźć ana­lo­gię. Za­cznij­my od wy­zna­cze­nia mo­men­tu ob­ro­to­we­go. Już pod­sta­wo­wa wie­dza o bu­do­wie sil­ni­ka po­zwa­la stwier­dzić od cze­go za­le­ży je­go war­tość. Ma­my tu do czy­nie­nia z ukła­dem tło­ko­wo kor­bo­wym wpra­wia­nym w ruch przez ci­śnie­nie po­wsta­ją­ce w ko­mo­rze spa­la­nia, za­tem si­łę sta­no­wi na­cisk na tłok, a ra­mię si­ły od­le­głość osi czo­pu wy­kor­bie­nia od głów­nej osi ob­ro­tu wa­łu kor­bo­we­go. Dłu­gość ra­mie­nia jest oczy­wi­ście sta­ła, na­to­miast si­ła... i to waż­na in­for­ma­cja, zmie­nia swą war­tość wraz ze zmia­ną pręd­ko­ści ob­ro­to­wej. Po­zo­sta­je moc, do ob­li­cze­nia któ­rej po­trzeb­na nam jest jesz­cze tyl­ko ła­twa do zmie­rze­nia pręd­kość ob­ro­to­wa.

Zna­my już pod­sta­wy teo­re­tycz­ne, z któ­rych mo­że­my wy­wnio­sko­wać o ści­słej za­leż­no­ści mię­dzy oma­wia­ny­mi pa­ra­me­tra­mi. W prak­ty­ce efe­me­rycz­ny cha­rak­ter war­to­ści wyj­ścio­wej, czy­li si­ły dzia­ła­ją­cej na tłok i jej zmien­ność w funk­cji ob­ro­tów sil­ni­ka, utrud­nia do­kład­ne po­mia­ry. a tym sa­mym uzy­ska­nie po­praw­nych wy­ni­ków dro­gą ana­li­tycz­ną. Dla­te­go mo­ment ob­ro­to­wy wy­zna­cza się za po­mo­cą od­po­wied­nich urzą­dzeń, zmu­sza­ją­cych wał pra­cu­ją­ce­go sil­ni­ka do po­ko­na­nia pew­nych opo­rów, co po­zwa­la oce­nić je­go osią­gi.

War­to­ści mo­men­tu, a na­stęp­nie mo­cy, usta­la się dla ca­łe­go za­kre­su pręd­ko­ści ob­ro­to­wej sil­ni­ka. W ten spo­sób po­wsta­je wy­kres cha­rak­te­ry­zu­ją­cy jed­nost­kę na­pę­do­wą, a naj­wyż­sze war­to­ści zo­bra­zo­wa­nych na nim pa­ra­me­trów wraz z war­to­ścia­mi ob­ro­tów, przy któ­rych zo­sta­ły uzy­ska­ne znaj­du­je­my póź­niej w da­nych tech­nicz­nych.

Za­tem ko­lej­nym wnio­skiem po­win­no być stwier­dze­nie, że mak­sy­mal­ne war­to­ści mo­men­tu ob­ro­to­we­go i mo­cy osią­ga­ne są przy róż­nych pręd­ko­ściach ob­ro­to­wych (na­wet w przy­pad­ku zbli­żo­nych po­jem­no­ści). Z cze­go wy­ni­ka­ją te roz­bież­no­ści i ja­kie ma­ją zna­cze­nie naj­le­piej wy­ja­śnić ana­li­zu­jąc ca­ły prze­bieg wy­kre­sów f(w) = M i f(w)=P. Każ­da jed­nost­ka na­pę­do­wa ma swój in­dy­wi­du­al­ny prze­bieg krzy­wych mo­men­tu i mo­cy, choć moż­na wska­zać pew­ne wspól­ne ce­chy.

Pra­cu­ją­cy na "lu­zie" (zwy­kle oko­ło 1000 obr./min.) sil­nik po­sia­da pew­ne wyj­ścio­we war­to­ści oma­wia­nych pa­ra­me­trów. Zwięk­sza­jąc ilość do­star­cza­ne­go pa­li­wa, uzy­sku­je­my więk­sze na­ci­ski na tłok i wzrost ob­ro­tów. Na wy­kre­sach na­to­miast ro­sną wy­raź­nie war­to­ści mo­men­tu ob­ro­to­we­go i mo­cy.

Do­da­je­my da­lej "ga­zu" i ze zdzi­wie­niem ob­ser­wu­je­my, że krzy­wa mo­men­tu za­czy­na się za­ła­my­wać, a wkrót­ce prze­bie­ga po­zio­mo... Moc jed­nak ro­śnie da­lej, choć też już mniej żwa­wo. Wnio­sku­je­my z tej sy­tu­acji, że wzrost sił na­ci­sku na tłok jest ogra­ni­czo­ny, mi­mo że do­star­cza­my co­raz wię­cej pa­li­wa. Dzie­je się tak głów­nie za spra­wą dwóch czyn­ni­ków:

Po pierw­sze prze­mia­ny ener­ge­tycz­ne w sil­ni­ku wią­żą się nie­od­łącz­nie z prze­pły­wem prze­zeń płyn­nych me­diów, bo trze­ba prze­cież do­star­czyć mie­szan­kę i od­pro­wa­dzić ga­zy spa­li­no­we. Prze­pły­wy na­to­miast po­wo­du­ją opo­ry, któ­re ro­sną w funk­cji kwa­dra­to­wej (f(y)=x²) wraz ze wzro­stem ich pręd­ko­ści. Ozna­cza to, że je­śli przy 1000 obr./min. stra­ty mo­men­tu na opo­ry prze­pły­wu wy­no­szą 1%, to przy 2000 obr./min. osią­gną war­tość (2)² czy­li 4%, a przy 3000 obr./min. - (3)² = 9%!

Po dru­gie wzrost pręd­ko­ści ob­ro­to­wej po­wo­du­je zwięk­sze­nie ilo­ści cy­kli pra­cy w jed­no­st­ce cza­su. Przy wyż­szych za­kre­sach ma to wpływ na zmniej­sze­nie na­ci­sków jed­nost­ko­wych wy­wie­ra­nych na po­wierzch­nię tło­ka. Wy­ni­ka stąd rów­nież, że mi­mo sta­łej, a na­wet ma­le­ją­cej war­to­ści mo­men­tu ob­ro­to­we­go, moc mo­że ro­snąć da­lej wraz z ob­ro­ta­mi sil­ni­ka.

Prze­bie­giem krzy­wych obu pa­ra­me­trów przy dal­szym wzro­ście pręd­ko­ści rzą­dzą te sa­me pra­wa. Si­ły na­ci­sku na tłok w jed­nym cy­klu są co­raz mniej­sze, ale cy­kli w da­nym cza­sie jest wię­cej. Opo­ry prze­pły­wów ro­sną. Na wy­kre­sach co­raz wy­raź­niej ma­le­je mo­ment, a moc osią­ga mak­si­mum i rów­nież zmie­rza w dół.

Na po­cząt­ku po­wyż­szych roz­wa­żań pa­dło stwier­dza­nie, że war­to­ści oma­wia­nych pa­ra­me­trów po­win­ny osią­gać jak naj­więk­sze war­to­ści. Te­raz ana­li­zu­jąc prze­bieg wy­kre­sów dla da­ne­go sil­ni­ka, mo­że­my wy­wnio­sko­wać o nim du­żo wię­cej. Zwróć­my uwa­gę przede wszyst­kim na mo­ment ob­ro­to­wy. Gdy osią­ga on naj­wyż­szą war­tość, sil­nik naj­efek­tyw­niej prze­twa­rza ener­gię a sa­mo­chód naj­le­piej przy­spie­sza. Za­tem je­śli mo­ment jest naj­wyż­szy przy wy­so­kich ob­ro­tach w prak­ty­ce au­to przy­spie­szy do wyż­szej pręd­ko­ści, a je­śli przy ni­skich, bę­dzie dy­na­micz­ne na po­cząt­ku, ale zo­sta­nie w ty­le na dłu­gich pro­stych gdy li­czy się pręd­kość mak­sy­mal­na. War­to rów­nież zwró­cić uwa­gę na prze­bieg krzy­wej mo­men­tu w oko­li­cy war­to­ści mak­sy­mal­nej. Im dłu­żej je­go war­tość utrzy­mu­je się w gór­nym prze­dzia­le (wy­kres kształ­tu­je się pra­wie po­zio­mo), tym więk­sza ela­stycz­ność jed­nost­ki na­pę­do­wej, co w prak­ty­ce po­zwa­la płyn­nie przy­spie­szać w więk­szym za­kre­sie pręd­ko­ści na da­nym bie­gu.

Tą dro­gą moż­na wy­chwy­cić rów­nież istot­ne ce­chy róż­ni­cu­ją­ce po­szcze­gól­ne gru­py sil­ni­ków. Po­rów­naj­my Die­sla z ben­zy­nia­kiem bio­rąc pod uwa­gę cha­rak­te­ry­sty­ki oraz da­ne z ta­be­li. Wi­dzi­my wy­raź­nie, że sil­ni­ki wy­so­ko­pręż­ne uzy­sku­ją wyż­sze war­to­ści mak­sy­mal­ne mo­men­tu niż ni­sko­pręż­ne o zbli­żo­nej po­jem­no­ści i to przy znacz­nie niż­szych ob­ro­tach. Po­nad­to, na przed­sta­wio­nym wy­kre­sie, mo­ment Die­sla utrzy­mu­je się wy­so­ko w za­kre­sie 1500 - 3000 obr./min. Są to ce­chy prze­ma­wia­ją­ce wy­raź­nie na je­go ko­rzyść, gdyż w prak­ty­ce naj­czę­ściej eks­plo­atu­je­my sil­nik w ni­skim za­kre­sie ob­ro­tów i to wła­śnie tu­taj do­bre osią­gi po­trzeb­ne są naj­bar­dziej. W au­tach oso­bo­wych wy­so­ki mo­ment do­stęp­ny w ni­skim za­kre­sie ob­ro­tów i du­ża ela­stycz­ność przy­da­ją się nie tyl­ko by dy­na­micz­nie przy­spie­szać, ale rów­nież by ła­twiej po­ko­nać stro­me wznie­sie­nie, prze­wieść cięż­szy ba­gaż czy ho­lo­wać przy­cze­pę cam­pin­go­wą. Ta sa­ma gru­pa sil­ni­ków do­mi­nu­je rów­nież w sa­mo­cho­dach te­re­no­wych a na cię­ża­rów­ki ma mo­no­pol. Tu­taj wła­ści­wo­ści Die­sla w po­łą­cze­niu z od­po­wied­nio ze­stop­nio­wa­ną skrzy­nią bie­gów (wła­ści­wie do­bra­ny­mi prze­ło­że­nia­mi), po­zwa­la­ją po­ko­ny­wać bez­dro­ża lub prze­wo­zić du­że ma­sy ła­dun­ku.

Wie­le mó­wi się o wyż­szo­ści jed­no­stek wy­so­ko­pręż­nych nad ni­sko­pręż­ny­mi, mi­mo to w seg­men­cie sa­mo­cho­dów oso­bo­wych, naj­więk­szym prze­cież na ryn­ku, prze­wa­ża­ją wciąż te dru­gie... Niż­sze kosz­ty za­ku­pu i czę­ści za­mien­nych, oraz moż­li­wość sto­so­wa­nia tań­szych pa­liw ga­zo­wych to ar­gu­men­ty, któ­re czę­sto bio­rą gó­rę, co jest w peł­ni uza­sad­nio­ne je­śli po­jazd nie jest in­ten­syw­nie eks­plo­ato­wa­ny.

Pod­su­mo­wu­jąc po­wyż­sze roz­wa­ża­nia na­su­wa się wnio­sek, że po­rów­ny­wa­nie sil­ni­ków ben­zy­no­wych i Die­sla nie pro­wa­dzi do roz­strzy­gnię­cia, któ­re z nich są "lep­sze". Ich in­dy­wi­du­al­ne ce­chy po­zwa­la­ją na­to­miast uzy­skać in­for­ma­cje gdzie i dla­cze­go spraw­dzi się le­piej je­den lub dru­gi. Je­śli od­po­wied­nio z niej sko­rzy­sta­my, to zgod­nie z za­mia­rem kon­struk­to­ra, dłu­go cie­szyć się bę­dzie­my bez­a­wa­ryj­ną pra­cą na­szej jed­nost­ki na­pę­do­wej.

Mówiąc o napędzie samochodowym najczęściej podajemy wartość siły oraz przyspieszenia. Nawet jeśli ktoś podaje maksymalny moment obrotowy, nie przywiązujemy do niego większej wagi. Często z prostego powodu - nie wiemy dokładnie co to jest.

Zacznijmy od historii. James Watt zaobserwował, że ówczesny koń był w stanie unieść 550 funtów masy na odległość jednej stopy w czasie jednej sekundy. Stąd wykonywał pracę w tempie 550 funto-stóp na sekundę (lub 33000 funto-stóp na minutę) przez około 8 godzin dziennie. Wartość tę przyjęto jako standardową i nazwano jednym koniem mechanicznym.

Funto-stopa momentu obrotowego jest to siła skręcająca potrzebna do podtrzymania masy jednego funta na bezmasowym, poziomym ramieniu w odległości jednej stopy od punktu zaczepienia. Innymi słowy moment obrotowy opisać można jako iloczyn siły działającej na denko tłoka i ramienia wykorbienia. Dla silnika spalinowego o danej pojemności ramię wykorbienia posiada stałą wartość. Wynika wiec z tego, że moment obrotowy zależy wyłącznie od ciśnienia gazów działających na tłok. Ciężko mi się to pisze więc pewnie równie ciężko będzie się wam to czytać - jednak trochę teorii liznąć musimy :)

Jak NIE wybijać szyby w aucie?

Musimy teraz podać bardzo istotną informację. Otóż nikt nie mierzy mocy silników. Mierzy się moment obrotowy (w USA wyrażany w funto-stopach, w Europie w niutonometrach). Potem inżynierowie przeliczają wynik poprzez zamianę siły obrotowej momentu obrotowego działającej w danym czasie na jednostki mocy.

Wyobraźmy sobie teraz masę jednego funta, oddaloną o jedną stopę od punktu zaczepienia na ramieniu nie posiadającym masy. Gdy wykonamy obrót tej masy o jedno pełne koło przeciwko oporowi jednego funta, przesuniemy ją o 6,2832 stopy (Pi x okrąg o średnicy 2 stóp) i wykonamy pracę wynoszącą 6,2832 funto-stóp.

Watt stwierdził, że 33000 funto-stóp pracy na minutę równa się jednemu koniowi mechanicznemu. Gdy podzielimy to przez 6,2832 funto-stóp pracy, które wykonaliśmy podczas jednego pełnego obrotu dojdziemy do wniosku, że 1 funto-stopa momentu obrotowego przy 5252 obr. / min równa się 33000 funto-stóp pracy na minutę i równa się jednemu koniowi mechanicznemu. Gdybyś obracali tą masę z prędkością 2626 obr. / min równałoby się to 1/2 konia mechanicznego. Stąd właśnie wynika wzór na obliczanie mocy z momentu obrotowego:

moc* = (moment obrotowy** x obroty na minutę) / 5252

* moc wyrażona w koniach mechanicznych (HP)

** moment obrotowy wyrażony w funto-stopach (ft lbf)

Tyle teorii. Jak przekłada się ona na praktykę, czyli jazdę? Każdy samochód, na każdym biegu, przyśpiesza w tempie, które dokładnie pokrywa się z krzywą momentu obrotowego. Auto przyspiesza najmocniej w momencie, gdy moment obrotowy osiąga dokładnie najwyższą wartość. Poniżej i powyżej tej wartości przyśpieszenie jest mniejsze. 100 niutonometrów momentu będzie “ciągnęło” tak samo mocno przy 2000 obrotów jak i przy 4000 obr, podczas gdy moc będzie podwojona. Dlatego moc nie jest szczególnie ważna z perspektywy odczuć kierowcy i równa jest momentowi obr. tylko przy 5252 obr. / min, gdzie krzywe mocy i momentu się przecinają.

Proces likwidacji szkód. Jak to wygląda od kuchni? [poradnik]

Moc rośnie drastycznie ze wzrostem obrotów, zwłaszcza, gdy w tym samym czasie rośnie też wartość momentu. Moc będzie rosła razem z obrotami silnika, nawet gdy moment zacznie już opadać. Niemniej jednak moc nie ma nic wspólnego z tym co czuje kierowca.

Nie będę was męczyć technicznymi danymi zbyt długo, więc na koniec dodam tylko jeszcze jedną ważną rzecz.W eksploatacji ważne jest, aby stosunkowo wysoki moment obrotowy utrzymywał się w szerokim zakresie prędkości obrotowych silnika, co czyni silnik elastycznym. Umożliwia to płynną jazdę bez konieczności częstej zmiany biegów.