A ještě moment, podíváme se i na točivý Moment

Moment, výkon

Než se dostaneme k výkonu musíme se prokousat základní fyzikou s pohledem na motor. Nad pístem nám dochází k expanzi zapálené směsi a roste tlak na píst, který závisí na teplotě hoření a na objemu. Tento tlak je rozložen do plochy pístu a na píst je vyvozena síla – F [Newton] (síla=tlak×plocha). Síla nám působí přes ojnici na rameno klikové hřídele (abychom si to moc nekomplikovali nebudeme zbytečně manipulovat s úhly celého mechanismu, i když to má značný vliv na velikost síly) a vytváří nám kroutící moment – M [Newtonmetr] (moment=síla×rameno). Pokud tedy budeme mít velké rameno kliky (velký zdvih), dostaneme velký kroutící moment při stejné síle. Je ovšem nutné zachovávat určité poměry ramena kliky a délky ojnice, zdvihu a vrtání a tudíž nemůžeme pustit uzdu fantazii a vymýšlet si metrové zdvihy u objemu 600ccm. Je zvykem udávat kroutící moment na výstupu motoru tedy na klikové hřídeli. Tato hodnota není v celém provozním rozsahu stejná a má jistou charakteristiku, což se v určitých ohledech jeví jako nevýhodné oproti např. elektromotoru. Výkon – P je všeobecně práce za čas. Pro výkon platí jednoduchý vztah, který je použit např. i při výpočtu na motorové brzdě (přesnější popis bude obsahem následujícího článku).


 

P=(n/60).M.k.Pi
n - otáčky (ot/min)
M - kroutící moment (Nm)
k - korekčního číslo dle typu motoru - 4 pro dvoudobý a 2 pro čtyřdobý
Pi = 3,14

Pokud si vezmeme jakýkoliv graf z brzdy a dosadíme hodnoty, musí nám jednoznačně vyjít výkon jak je uveden v grafu (je samozřejmě nutné uvádět čísla v základních jednotkách, tzn. otáčky za sekundu). I přes ujednocení soustavy jednotek dle SI a snaze dodržet striktní používání jednotky pro výkon watt – W (kilowatt-kW) je i v dnešní době oblíbené přepočítávat na koně. Ačkoliv to není příliš podstatné tak bych rád uvedl malou odchylku německého koně PS (Pferd Stärke) od anglického HP (horse power).

1kW=1,34HP=1,36PS

Běžně se počítá s přepočtem 1,36, i když se uvádí jednotka HP a nepovažuji za nutné to řešit nějak do hloubky z důvodu malých rozdílů. (Hold anglický hřebec byl asi lépe krmen:-))
Pokud vezmeme v potaz vše co jsme si o vzniku výkonu ve spalovacím motoru řekli, vyjde nám kompletní vzorec pro jeho efektivní výkon, tj. výkon odebíraný z klikové hřídele. Avšak ne výkon na výstupu z převodovky. Nesmíme zapomenout, že motor má i nějaké „spotřebiče“ – olejové a vodní čerpadlo, alternátor, ventilový rozvod, … a zadarmo nám nikdo dělat nebude.

P_e= (V_m . p_e . n) / (30 . D)


V_m - objem motoru (L, dm³)
p_e - indikovaný tlak ve válci (Mpa)
n - otáčky motoru (ot/min)
D - rozdělení dvoudobého (2) nebo čtyřdobého (4) motoru

Z čehož plyne, jak jsme schopni zvýšit výkon motoru. Na prvním místě je to objem motoru a to je nejrozšířenější způsob. Dále jsou to otáčky a je to vidět na motorech s menším objemem, kde se tohoto vlivu využívá. V dnešní době se sériově používá otáček o kterých se před několika lety konstruktérům ještě nesnilo. Vzpomeňte však minulý článek a velikost zrychlení v závislosti na otáčkách (dokonce závislost na druhé mocnině otáček). Při zvýšení otáček zvýším i namáhání součástí a proto musím použít lepší materiály případně technologie, aby motor chvíli vydržel. Dalším možným faktorem pro zvýšení výkonu je efektivní tlak, čehož se využívá u přeplňování (dmychadla, turbokompresory). Popis vyžaduje však více prostoru, takže si něco necháme na příště.
Pro porovnání motorů se určuje tzv. litrový výkon. Jedná se o přepočet na motor objemu 1000 ccm. Pokud se podíváme na výkony dnešních motorů snadno zjistíme, že tato hodnota je vyšší pro menší motory s větším počtem válců. Jako příklad uvedu litrové výkony některých motocyklů:
220kW - 250 ccm, 2 válec, 2takt (RS 250)
158kW - 600 ccm, 4 válce, 4takt (ZXR600)
130kW – 1000 ccm, 4 válce, 4takt (GSXR 1000)
103kW – 1000 ccm, 2 válce, 4takt (Ducati 999)
40kW – 1600 ccm, 2 válce, 4takt (WildStar)

Jak je vidno, tyto hodnoty nám prakticky nic moc neřeknou a jsou většinou jen marketingovým trikem. Je jen dobré si všimnout, že snazšího výkonu dostaneme z více válců i za cenu vyšších třecích ztrát a samozřejmě vyšších nákladů na výrobu. Samozřejmě nejde srovnávat motory jen dle čísel nezahrnujíc otáčky motoru a jeho konstrukci.

Výkon je tedy „počet dávek“ síly (momentu) za určitý čas. Pokud zvýším otáčky a síla bude stejná, zvýší se mi zákonitě i výkon. Abychom lépe pochopili vliv těchto dvou základních veličin, objevujících se na prvních místech popisu motoru, je nutné si vzpomenout na vztah z minulého článku a tím je síla=zrychlení×hmotnost. Hmotnost motorky s řidičem budeme brát jako konstantní, takže nám vyplyne: abych měl větší zrychlení musím mít větší sílu. Moment je síla braná na určitém rameni a je vztažen k ose. Jsme schopni jej i měnit a to převody, takže pokud mám celkový převod od klikové hřídele k zadnímu kolu např. 11, budu mít na zadním kole 11×větší moment než na motoru. Kolo má stále stejný průměr takže zvýším-li moment zvýším sílu, která mi pohání motocykl. Při přeřazení na vyšší rychlostní stupeň tak při stejných otáčkách motoru klesne moment na zadním kole. Z toho důvodu musí mít motorka větší akceleraci (jde lépe na zadní) na nižší rychlostní stupeň, protože mám větší sílu na kole. Vyšší rychlostní stupeň kolikrát nám sníží kroutící moment na zadním kole, tolikrát zvýší otáčky a o pár řádků výše jsem popsal základní vztah pro výkon P=konst.M.n tzn. že výkon bude stejný. Teorie převodů včetně principu převodovky a popsání mechanických ztrát bude v budoucnu. Pokud má motorka vysoký výkon je schopna i ve vysokých otáčkách zadního kola (vysoká rychlost motorky) dodávat potřebný kroutící moment na pokrytí ztrát především vlivem aerodynamickýho odporu. Pokud bychom tedy dali na slabý stroj rychlý převod, motor stejně nebude schopen se vytočit do vysokých otáček a dosáhnout tak vysoké rychlosti, protože jak jsme si řekli – zvýším otáčky zadního kola za cenu poklesu kroutícího momentu na kole.

Momentová a výkonová charakteristika jsou jedny z rychlostních charakteristik motoru. Grafy z měření jistě viděl každý a je vhodné si všimnout pár skutečností. Jak bylo uvedeno výkon je závislý pouze na otáčkách a kroutícím momentu, proto když máme jednu momentovou charakteristiku, musí pro ni existovat pouze jedna charakteristika výkonová. V určitých otáčkách máme nejvyšší kroutící moment (nejvyšší objemová účinnost motoru) a za tímto vrcholem moment klesá, ale stoupají stále otáčky motoru, takže do určité chvíle stoupá i výkon do svého maxima. Nejoptimálnější by bylo pohybovat se mezi otáčkami maximálního výkonu a otáčkami maximálního kroutícího momentu a to z toho důvodu, že když budeme na otáčkách P_max a dojde k většímu zatížení (kopec) budou otáčky klesat a přitom poroste kroutící moment a motor je tak schopen si najít nový rovnovážný stav. Pokud se podíváme zpět na výpočet efektivního výkonu motoru na první pohled lze uvažovat, že pokud budeme mít stejný tlak, pak všechny další parametry kromě otáček jsou konstantní, tudíž křivka výkonu na otáčkách by byla pěkná přímka. Jenže motor má v různých otáčkách různou účinnost a proto křivka výkonu se od přímky liší.
Níže je uveden graf z naší brzdy a je tam vložen i výpočet pro daný bod z grafu – místo v 6478ot/min (nutné vydělit 60, abychom dostali otáčky za sekundu), hodnota momentu a výkonu je v grafu dole v zeleném obdélníku.