Moc i moment obrotowy

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.

Tekst i rysunki: Michał Soja, 03.2008