Skąd się bierze moc?

©

Udostępnij:

Moment obrotowy i moc to parametry charakteryzujące silnik spalinowy. Jednak nie są one wystarczające, aby określić przydatność danego silnika do konkretnych zastosowań.

Wiele osób twierdzi, że silnik ocenia się wyłącznie na podstawie mocy znamionowej, czyli mocy, jaką maksymalnie może wytworzyć. Często używa się przy tym starej jednostki KM (koni mechanicznych) pochodzącej z początków industrializacji. Ze względu na rosnący udział silników elektrycznych jako napędu bardziej adekwatną pod względem fizycznym jednostkę stanowi jednak kilowat (kW). Chociaż jednostka KM oferuje wyższe wartości liczbowe i robi lepsze wrażenie, każdy, kto chce wyrażać się profesjonalnie, powinien podawać moc w kilowatach.

WARTO WIEDZIEĆ
Jednostki mocy i momentu obrotowego
Do określania mocy silników używa się na co dzień jednostek takich jak wat (W) i koń mechaniczny (KM). Jednostka KM nie jest używana oficjalnie. 1 KM odpowiada 736 W, czyli 0,736 kW. Natomiast 1 kW = 1000 W = 1,36 KM. Konie mechaniczne wprowadził w XVIII w. James Watt, poszukując odpowiedniej jednostki opisującej moc skonstruowanych przez siebie maszyn parowych. Również oficjalnie dopuszczona 1 stycznia 1978 r. jednostka miary mocy silnika w układzie SI – wat – jest związana z Jamesem Wattem (pochodzi od jego nazwiska). 1 KM został zdefiniowany w niemieckich normach DIN jako moc, której należy użyć, aby poruszyć ciało o masie 75 kg, przeciwdziałając sile ciężkości (przy przyspieszeniu ziemskim 9,80665 m/s2), z prędkością 1 m/s. Podobnie brzmiała definicja Jamesa Watta. Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI (Systeme International d’Unites) został wprowadzony w latach sześćdziesiątych jako nowy międzynarodowy porządek jednostek miar. Układ SI opiera się na siedmiu jednostkach podstawowych. Pozostałe jednostki są wyprowadzane z nich i tworzone przez mnożenie i dzielenie jednostek podstawowych. W Polsce, tak samo jak i w Niemczech, jednostki SI są ustawowo wprowadzonymi jednostkami w obrocie urzędowym i handlowym (od roku 1966). Jednostką SI momentu obrotowego jest Nm (niutonometr). Jeden niutonometr to moment obrotowy, który wytwarza siłę jednego niutona na ramieniu dźwigni o długości jednego metra w punkcie obrotu. Jednostka niuton również jest jednostką SI wyprowadzoną z jednostek podstawowych – kilograma (kg), metra (m) i sekundy (s). Siła jednego niutona jest konieczna, aby w ruchu liniowym prędkość ciała o masie jednego kilograma zmienić w każdej sekundzie o 1 m/s, czyli aby przyspieszyć takie ciało o 1 m/s2.

Jednak co tak naprawdę charakteryzuje silnik? Oprócz mocy istotnym parametrem jest także moment obrotowy oraz ich przebieg w funkcji prędkości obrotowej silnika. Moc silnika zależy od chwilowego momentu obrotowego oraz prędkości obrotowej i jest obliczana na ich podstawie. Z tego powodu prostym sposobem zwiększenia mocy silnika jest zwiększenie momentu obrotowego lub samej prędkości obrotowej. Oba te parametry mają jednak swoje granice, szczególnie w przypadku dodatkowego zwiększania mocy.

siły działające na mechanizm korbowy
Siły działające na mechanizm korbowy w suwie spalania: siła styczna FT wytwarza przez promień korby r moment napędowy silnika. p – ciśnienie powstające w wyniku spalania, AK – powierzchnia tłoka, FN – siła zwykła, FK – siła tłoka, FP – siła korbowodu, FR – siła promieniowa, FT – siła styczna, r – promień korby. Źródło: Archiwum „autoEXPERTA”

Wraz z rosnącymi obrotami wzrasta też np. prędkość liniowego ruchu tłoków, co z kolei powoduje wzrost sił wytwarzanych masami tłoków i korbowodu, które obciążają silnik w górnym i dolnym punkcie zwrotnym. Dalej – wyższe obroty to większe tarcie i zużycie, opory przepływu w kanałach ssących oraz hałas. Szczególnie istotny wpływ na możliwość podnoszenia liczby obrotów wywierają maksymalne dopuszczalne siły masowe. W silnikach z mieszanką tworzoną wewnątrz, czyli w silnikach wysokoprężnych i benzynowych z wtryskiem bezpośrednim, istnieje jeszcze jedna granica obrotów. W tych silnikach zasysane powietrze jest mieszane z paliwem dopiero w komorze spalania, co wymaga pewnego czasu. W silnikach Diesla powoduje to o wiele niższy maksymalny moment obrotowy niż w przypadku silników benzynowych. Moment obrotowy silnika wynika również z ciśnienia spalania, które działa na tłok. Wytwarza ono siłę, która przez korbowód działa na wał korbowy. Z czopem korbowym działającym jako ramię dźwigni wał korbowy wytwarza moment obrotowy. Dlatego drugą wielkością istotną dla momentu silnika jest promień korby, czyli skok tłoka: im dłuższy jest czop korbowy, tym większe jest ramię dźwigni, na które działa siła wytwarzana przez tłok – i tym większy jest też moment obrotowy wytwarzający siłę.


Napełnienie daje siłę

Im lepiej komora spalania napełnia się mieszanką w suwie ssania (czyli im wyższy jest stopień napełnienia), tym większe jest ciśnienie, które powstaje podczas spalania. Dlatego też silniki z turbosprężarką lub kompresorem przy takiej samej pojemności mają większą moc niż silniki bezsprężarkowe. Dzieje się tak dlatego, że sprężarka dosłownie tłoczy powietrze do cylindrów. Dzięki temu sterownik silnika może wtrysnąć więcej paliwa. Aby osiągnąć optymalny stosunek powietrza do paliwa w celu zapewnienia pełnego spalania, na 14,7 kg powietrza należy wprowadzić 1 kg paliwa.

Dla charakterystyki silnika ważne są jednak nie tylko czysta moc znamionowa i maksymalny moment obrotowy, lecz także przebieg charakterystyki momentu obrotowego i mocy. Silnik pracuje wyjątkowo „elastycznie”, jeśli już na niskich obrotach zapewnia wysoki moment silnikowy. Ma to poza tym tę zaletę, że kierowca może często jechać na niskich obrotach, co ogranicza zużycie. Stosunek prędkości obrotu kół do obrotów silnika określa jednak ostatecznie przełożenie przekładni, które w znacznym stopniu wpływa na to, jak efektywnie pracuje napęd.

Silniki osiągają swój maksymalny moment obrotowy zwykle na średnich obrotach, kiedy stopień napełnienia jest najlepszy. W tym zakresie silnik wytwarza najwyższe ciśnienie spalania. Wymiana gazów, tworzenie mieszanki i spalanie przebiegają wówczas prawie optymalnie. Wartość liczbowa tego maksimum jest podana wraz z odpowiednimi obrotami w danych technicznych pojazdu, na przykład 360 Nm przy 2100 obr./min. Wcześniej i później jest często niższa.

Powodem jest to, że wytwarzanie wysokiego ciśnienia spalania w cylindrze w zwykłych silnikach ze sztywnymi czasami sterowania zaworami i prostymi kanałami ssącymi jest idealne tylko dla optymalnego napełnienia cylindrów – wymiana gazów, tworzenie mieszanki i spalanie poza tym zakresem są gorsze. To, że moc nadal wzrasta wraz z rosnącymi obrotami, wynika z tego, że obroty kompensują część strat momentu obrotowego, ponieważ moc, jak opisano, stanowi produkt momentu obrotowego i obrotów. Jednak od określonej wartości obrotów wymiana gazów w silniku jest tak zła, że moc znowu spada. Każdy, kto kiedykolwiek jechał na rowerze wyposażonym w przerzutki, mógł na własnej skórze odczuć związek momentu obrotowego i obrotów: rowerzysta wybiera, czy jedzie na niższym biegu przy niewielkim nakładzie siły i z niskim momentem obrotowym, ale pedałując szybciej, czyli na większych obrotach, czy też na wyższym biegu, wkładając dużo siły i przy wysokim momencie obrotowym, ale pedałując wolniej. W obu przypadkach moc jest taka sama, jeżeli przejeżdża się taką samą trasę w takim samym czasie. Pod tym względem wśród silników samochodów osobowych silniki Wankla stosowane jeszcze kilka lat temu przez Mazdę stanowią przykład ekstremalny. W silniku Wankla moc czerpana jest przy niskim momencie silnika prawie wyłącznie z obrotów. Natomiast doładowane silniki o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka już przy niskich obrotach wytwarzają spory moment obrotowy.

Silnik Wankla
Silniki Wankla ze względów konstrukcyjnych nie mogą wytwarzać bardzo wysokiego momentu obrotowego. Swoją moc czerpią z wysokich obrotów. Źródło: Mazda
wykres
W napędzie hybrydowym silnik elektryczny i spalinowy uzupełniają się, dając w efekcie imponującą moc, szczególnie przy niskim momencie obrotowym. Źródło: Mazda

TOP w kategorii


#Silnik i układ napędowy



Zmienny dopływ powietrza

Projektanci mogą zmieniać konstrukcję w różnych miejscach, aby osiągnąć żądaną charakterystykę silnika. Przykładem może być zmienne sterowanie zaworami. Chodzi o to, że za pomocą zaworów ssących i wydechowych układ sterowania silnikiem określa, kiedy powietrze dostaje się do silnika i kiedy spaliny są z niego usuwane. Dzięki zmiennym czasom otwarcia zaworów w szerokim zakresie obrotów można osiągnąć dobre napełnienie cylindrów mieszaniną powietrza i paliwa, podczas gdy w przypadku stałych czasów jest to możliwe w bardzo wąskim zakresie obrotów. Przykładem jest tzw. scavenging (ang. płukanie) w doładowanych silnikach benzynowych z wtryskiem bezpośrednim. W dolnym zakresie obrotów zawory są tutaj wysterowywane tak, że zawory ssące i wydechowe przez moment otwierają się jednocześnie. Powstały w ten sposób spadek ciśnienia w kierunku układu wydechowego napełnia komorę spalania powietrzem i usuwa jednocześnie resztki gazu powstałe w komorze spalania podczas ostatniego spalania. Wynikiem jest lepsze chłodzenie i większe napełnienie cylindra świeżym powietrzem. To większe napełnienie cylindra zwiększa moment obrotowy i podnosi ciśnienie ładowania turbosprężarki przez silniejszy strumień spalin. Konieczne do spalania powietrze płynie przez rurę ssącą do zaworu ssącego. Aby w różnych zakresach mocy osiągnąć możliwie wysoką prędkość powietrza wpływającego do cylindrów, a tym samym dobre napełnienie, rura ssąca musi spełnić w swoim przebiegu zmienne, w zasadzie sprzeczne ze sobą, wymagania. Stąd też na stopień napełnienia cylindrów można wpływać za pomocą zmiennego układu ssania. Do osiągnięcia wysokiego momentu obrotowego przy niskich obrotach najlepiej nadaje się bowiem krótka rura ssąca, podczas gdy maksymalną moc wyjściową osiąga się na wysokich obrotach przy dłuższej rurze. W regulowanych rurach ssących umieszczono więc elektronicznie sterowany system klap, który kieruje powietrze do cylindra krótką lub długą drogą.

Doładowanie podwójną turbosprężarką: przy niskich obrotach mała turbosprężarka zapewnia odpowiednie ciśnienie w przewodzie ssącym, na średnich obrotach obie turbosprężarki pracują razem, a na wysokich obrotach duża turbosprężarka sama odpowiada za sprężanie. Źródło: Groupe PSA/Opel

Moc pod ciśnieniem

Jak już opisano, producenci samochodów posługują się też doładowaniem silników za pomocą turbosprężarek, aby wpływać na charakterystykę momentu obrotowego i mocy silników. Wykorzystują przy tym często turbosprężarki o zmiennej geometrii turbiny lub nawet dwie turbosprężarki – małą i dużą – aby zarówno na niskich, jak i wysokich obrotach zapewnić optymalne napełnienie cylindra. W ten sposób mała turbosprężarka zapewnia dobry moment obrotowy silnika na niskich obrotach, na średnich obrotach mogą pracować obie turbosprężarki, a na wysokich obrotach – tylko duża sprężarka. Najnowsze rozwiązanie, za pomocą którego konstruktorzy regulują moment obrotowy i moc napędów, to napęd hybrydowy, gdzie silnik spalinowy wspierany jest silnikiem elektrycznym. Silnik elektryczny jest tutaj korzystny przede wszystkim dlatego, że jego najwyższy moment obrotowy – w przeciwieństwie do silnika spalinowego – jest dostępny bezpośrednio po uruchomieniu. W ten sposób silniki uzupełniają się idealnie i zapewniają doskonałą charakterystykę napędu.

Udostępnij:

Drukuj





autoFACHMANN



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również