Στο συγκεκριμένο άρθρο θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τη διαφορά της ροπής από την ισχύ. Συγκεκριμένα, τι είναι αυτό που συνδέει την
ισχύ με την ροπή σε έναν κινητήρα; Αν δείτε ένα τυπικό διάγραμμα ισχύος θα
δείτε πως πολύ απλά είναι οι στροφές λειτουργίας του κινητήρα (rpm). Πως
όμως ερμηνεύονται και οι τρεις έννοιες (ροπή/ιπποδύναμη/ισχύς) σε έναν
κινητήρα και τι ισχύει σε κάθε τύπο κινητήρα;
Πάμε να δούμε τι πραγματικά συμβαίνει:
Από πλευράς της φυσικής, έχουμε τους ακόλουθους ορισμούς:
Η δύναμη F είναι η αιτία που ασκείται σε ένα σώμα (με μόνιμη ή ελαστική παραμόρφωση) ή αυτή που μεταβάλλει την κινητική κατάσταση του. H δύναμη F προκύπτει από το γινόμενο F=m*γ (m: μάζα), (γ: επιτάχυνση) με μονάδα μέτρησης το N (Newton, 1N=kg*m/s2)
Η ροπή M προκύπτει από το γινόμενο M=F*d (όπου d η απόσταση) και σχετίζεται από την εφαρμογή της δύναμης σε ένα σώμα που περιστρέφεται ως προς ένα σημείο. Μετριέται σε Nm («νιουτόμετρα») ή Kgm (χλγμ. ή «κιλά ροπής»). Η ροπή σε ένα κινητήρα είναι το γινόμενο της δύναμης (από την εκτόνωση των καυσαερίων μέσω του εμβόλου) που ασκείται στο στρόφαλο του κινητήρα επί τη απόσταση του σημείου εφαρμογής από τον άξονα περιστροφής (η κάθετη απόσταση της μπιέλας από το στρόφαλο π.χ. στο ΑΝΣ είναι μηδενική). Η ροπή στρέψης σε ένα κινητήρα δεν είναι σταθερή και μεταβάλλεται στο εύρος των στροφών λειτουργίας ανά κύκλο περιστροφών του κινητήρα.
Η ισχύς P είναι φυσικό μέγεθος που χρησιμοποιείται ως μέτρο σύγκρισης για την απόδοση διαφόρων μηχανών. Από την σχέση P=W/t γίνεται αντιληπτό πως η ισχύς προέρχεται από το έργο που παράγεται σε μία δεδομένη στιγμή δηλ. μας δείχνει τον ρυθμό με τον οποίο παράγεται το έργο (όσο πιο γρήγορα παράγεται, τόσο πιο γρήγορη η επιτάχυνση). Μετριέται σε Watt (W) αλλά πιο διαδεδομένη μονάδα είναι ο μετρικός ίππος (1 PS= 0,736 kW) και λιγότερο ο βρετανικός ίππος (1 HP=0,746 kW).
Ένας βασικός νόμος που διέπει τις Μ.Ε.Κ. είναι ο εξής: " η ισχύς ισούται με το γινόμενο της στιγμιαίας ροπής επί την συχνότητα περιστροφής (τις rpm που δεν είναι άλλο από την γωνιακή ταχύτητα). "
Παρακάτω φαίνεται ένα τυπικό διάγραμμα: Torque = f (Speed)
Πως μετριέται η ιπποδύναμη ενός κινητήρα ;
Η ιπποδύναμη ενός κινητήρα μετριέται χρησιμοποιώντας ένα δυναμόμετρο, όπου με τέρμα το γκάζι μετρά την δύναμη στον στροφαλοφόρο (στατική μέτρηση, για αυτό αποκαλούνται ως δυναμόμετρα πάγκου) δίχως να επηρεάζονται από τις απώλειες της μετάδοσης. Τα δυναμόμετρα με κυλίνδρους που χρησιμοποιούνται στα συνεργεία μετρούν την ισχύ στον τροχό που είναι μικρότερη απ' ότι στον στρόφαλο. Μετά υπολογίζουν τις απώλειες μετάδοσης κ.α. και προσθέτουν την «χασούρα» για να υπολογίσουν την πραγματική ισχύ.
Αν μετρήσουμε τη ροπή στρέψης, όχι με τέρμα γκάζι, αλλά με τα 3/4 του μέγιστου, το 1/2, το 1/4 κ.ο.κ., θα έχουμε μια σειρά από αντίστοιχες καμπύλες που θα παρουσιάζουν ένα κοινό σημείο: η κορύφωσή τους θα γίνεται στις ίδιες ή παραπλήσιες στροφές με αυτές της καμπύλης ροπής σε τέρμα γκάζι!
Στις στροφές όπου εμφανίζεται η μέγιστη ροπή στρέψης ελαχιστοποιείται η ειδική κατανάλωση.
Μια βασική παράμετρος που έρχεται να προστεθεί, είναι το κιβώτιο ταχυτήτων, το οποίο πολλαπλασιάζει ή υποπολλαπλασιάζει (ανάλογα με τη σχέση) τη δύναμη ή καλύτερα τη ροπή που μεταφέρεται στους τροχούς. 'Ένας κινητήρας δείχνει πολύ πιο ροπάτος με κιβώτιο 6 σχέσεων από ότι με 5. Επειδή το όριο των rpm σε έναν πετρελαιοκινητήρα είναι μικρότερο, συνηθίζεται να χρησιμοποιούνται μακρύτερες σχέσεις με σκοπό να επιτευχθεί ικανοποιητική τελική (απέναντι σε βενζινοκίνητη έκδοση). Με «κοντύτερες» σχέσεις κιβωτίου (δηλ. όταν μία σχέση βγάζει λιγότερα km/h ανά 1.000 rpm) κερδίζουμε σε ροπή αλλά χάνουμε σε ταχύτητα περιστροφής.
Άλλες παράμετροι, είναι το προφίλ ελαστικού και η διάμετρος της ζάντας (αν αναφερόμαστε σε αυτοκίνητα και μηχανές), όπου όσο μεγαλώνει η τιμή αυτή τόσο αυξάνεται η ταχύτητα.
Με άλλα λόγια όταν επιθυμούμε καλύτερη επιτάχυνση κατεβάζουμε σχέση μετάδοσης ώστε με άμεσο τρόπο να αναζητήσουμε περισσότερη ροπή !
Ποιά τα στάδια μετάβασης σε έναν εμβολοφόρο κινητήρα ;
Γενικά, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης δε είναι τίποτε άλλο από ένας μετατροπέα ενέργειας: παραλαμβάνει χημική ενέργεια (μέσω του καυσίμου) και αποδίδει μηχανική ενέργεια στην έξοδο του στροφαλοφόρου άξονα και θερμική ενέργεια που αποβάλλεται στο περιβάλλον υπό μορφή απωλειών.
- H ευθύγραμμη δύναμη που προέρχεται από την χημική έκρηξη του καυσίμου, είναι αυτή που σπρώχνει τα έμβολα (πιστόνια) για να περιστρέψουν τον στροφαλοφόρο. Η δύναμη κάθε "πιστονιάς" λοιπόν, εξαρτάται από την ογκομετρική απόδοση του κυλίνδρου δηλαδή απο το πόσος αέρας θα μπει (γι αυτό τα τούρμπο προσφέρουν περισσότερη ροπή). Άρα η ροπή εξαρτάται απο την ογκομετρική απόδοση των κυλίνδρων αλλά και απο το μήκος της μπιέλας (μοχλοβραχίονας σε σχέση με τον στροφαλοφόρο) όπου όσο μακρύτερο μήκος έχω τόσο περισσότερη και η ροπή στρέψης.
- Η ευθύγραμμη κίνηση αυτή, μετατρέπεται σε περιστροφική στο στροφαλοθάλαμο και έτσι λόγω της περιστροφής του στροφαλοφόρου η παραγόμενη ροπή είναι η δύναμη που φτάνει στους τροχούς.
Εδώ, θα πρέπει να πούμε το εξής:
Η παραγόμενη ροπή στο στρόφαλο δεν είναι σταθερή σε μέγεθος ! και αυτό διότι κατά τη διάρκεια της προς τα κάτω κίνησης του εμβόλου (στη φάση της καύσης και της εκτόνωσης) η πίεση στην κεφαλή του δεν είναι σταθερή, αλλά παρουσιάζει μια αυξομείωση. Εξίσου μη σταθερή είναι κι η απόσταση της δύναμης της μπιέλας από το κέντρο του στροφάλου: αυτή η απόσταση μεταβάλλεται ανάλογα με τη γωνία της μπιέλας ως προς το στρόφαλο, στη διάρκεια που το έμβολο κατεβαίνει προς το Κάτω Νεκρό Σημείο.
Τι ισχύει στα μονοθέσια της F1 και αντίστοιχα στις αγωνιστικές μηχανές ;
Oι κινητήρες τους έχουν κυλίνδρους με εξαιρετικά μεγάλη διάμετρο αλλά με μικρή διαδρομή, αφού έτσι επιτυγχάνουν: υψηλές rpm και απόδοση της μέγιστης ροπής κοντά στη μέγιστη ισχύ. Δηλαδή για να πετύχουν τη καλύτερη δυνατή επιτάχυνση απαιτείται η μεγαλύτερη τιμή ροπής σε υψηλότερες rpm και όσο το δυνατό πιο κοντά στην τιμή μέγιστης ισχύος.
Κάτι τέτοιο στα συμβατικά αυτοκίνητα παραγωγής, δηλαδή η απουσία ροπής στις χαμηλές rpm θα καθιστούσε εξαιρετικά δύσκολη ακόμη και την εκκίνηση !
Από την άλλη η ισχύς και συγκεκριμένα η ιπποδύναμη είναι αυτή που σε ένα κινητήρα εκφράζει το συνολικό έργο των καύσεων ανά μονάδα χρόνου.
1ο Βασικό συμπέρασμα: Η ροπή μας δείχνει την ικανότητα του κινητήρα σε μία συγκεκριμένη στιγμή το πόσο εύκολα μπορεί να ξεπεράσει αντιστάσεις (π.χ. αυξημένο βάρος, άμεση επιτάχυνση, ύπαρξη ανηφορικών διαδρομών, κτλ) ενώ η ιπποδύναμη μας δείχνει πόσο γρήγορα μπορεί να πραγματοποιήσει ένα ορισμένο έργο.
Η απόδοση ενός κινητήρα
Εξαρτάται από δύο παράγοντες: α) από το πόσο μεγάλη είναι η ποσότητα της χημικής ενέργεια που μπορεί να «διαχειριστεί» και β) από το πόσο σωστά γίνεται η «διαχείριση» της χημικής ενέργειας έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί το μηχανικό αποτέλεσμα και να ελαχιστοποιηθούν οι θερμικές απόκλειες.
Οι παράμετροι που εκφράζουν την απόδοση ενός κινητήρα είναι: α) η ισχύς, β) η ροπή στρέψης και γ) η ειδική κατανάλωση καυσίμου. Οι δυο πρώτες εκφράζουν αποκλειστικά το μηχανικό αποτέλεσμα, ενώ η τρίτη είναι εξίσου μεγάλης σημασίας, αφού μας πληροφορεί για την αποτελεσματικότητα του κινητήρα στο να μετατρέψει σε μηχανικό έργο την ενέργεια που του παρέχουμε υπό μορφή καυσίμου: η έννοια γραμμάρια καυσίμου ανά ίππο και ώρα είναι ένας πρακτικός και έμμεσος τρόπος για να εκφράσουμε το βαθμό απόδοσης του κινητήρα.
Κινητήρας σχετικά αργόστροφος.
Στόχος η επίτευξη της μέγιστης ιπποδύναμης σε χαμηλές στροφές λειτουργίας, δηλαδή βγάζει υψηλή ροπή στρέψης στις «λίγες» στροφές λειτουργίας και χαμηλή στις υψηλότερες.
Κινητήρας πολύστροφος.
Η επίτευξη υψηλής ιπποδύναμης επιτυγχάνεται με τη διατήρηση μιας «μέτριας» τιμής ροπής, αλλά σε υψηλό ρυθμό περιστροφής.
2ο Βασικό συμπέρασμα: Στη περιοχή της μέγιστης ροπής στρέψης έχουμε την οικονομικότερη λειτουργία του κινητήρα. Ανεξάρτητα από το αν πατούμε το γκάζι τέρμα ή όχι, ο κινητήρας μας αξιοποιεί τη βενζίνη που του «δίνουμε» με τον καλύτερο τρόπο.
Ένα τυπικό διάγραμμα ροπής στρέψης στο μόνο που μας χρησιμεύει είναι οτι μας δίνει τη μέγιστη τιμή της ροπής και στις στροφές στις οποίες εμφανίζεται. Για παράδειγμα, μια διαφορά της τάξης του ενός χιλιογραμμομέτρου ροπής ανάμεσα σε δύο κινητήρες στις 2000 στροφές, μεταφράζεται σε κάτι λιγότερο από 3 ίππους διαφοράς στην ιπποδύναμη. Η ίδια όμως διαφορά στις 6500 στροφές σημαίνει 9 ίππους (!) κάτι που γίνεται αμέσως εμφανές σε ένα διάγραμμα ιπποδύναμης.
Υπολογισμός των ίππων κάθε χρονική στιγμή
Αν ξέρουμε τη ροπή που αποδίδει ένας κινητήρας σε κάποιο ρυθμό περιστροφής μπορούμε εύκολα να βρούμε πόσοι ίπποι αποδίδονται εκείνη τη στιγμή: χοντρικά, πολλαπλασιάζοντας την τιμή της ροπής (σε χιλιογραμμόμετρα) επί τον αριθμό στροφών (ανά λεπτό) και επί τον διορθωτικό συντελεστή 14/10.000, βρίσκουμε την ισχύ που αντιστοιχεί σε αυτό τον αριθμό στροφών.
Για παράδειγμα, αν ξέρουμε για κάποιον κινητήρα ότι αποδίδει 8 χγμ. στις 3000 σ.α.λ. και 7 στις 6000, μπορούμε πανεύκολα να βρούμε ποια είναι η ιπποδύναμη στις δύο αυτές συχνότητες περιστροφής:
Στις 3000 σ.α.λ., έχουμε:
Ισχύς (HP)=8x3000x 14/10000=33.6
Στις 6000 σ.α.λ., έχουμε:
Ισχύς (HP)=7x6000x 14/10000=58.8
Αντίστροφα, αν ξέρουμε σε κάποιες στροφές την ιπποδύναμη που αποδίδει ο κινητήρας, μπορούμε να βρούμε τη ροπή (σε χγμ.) που αντιστοιχεί, αν πολλαπλασιάσουμε την ισχύ (σε HP) με το 10000 και διαιρέσουμε το αποτέλεσμα με το δεκατετραπλάσιο του αριθμού στροφών.
Για παράδειγμα, η ροπή που παράγει ένας κινητήρας στις 4800 σ.α.λ., όταν εκεί αποδίδει 60 ίππους, είναι:
Μ (χγμ.)=10.000 x60/(14χ4800)=600.000/67.200=8.9
(i) Η ροπή στρέψης δεν εκφράζει την απόδοση του αυτοκινήτου, αλλά την «ποιότητα» και «ένταση» της καύσης σε κάθε κύκλο.
(ii) Η ιπποδύναμη εκφράζει το συνολικό έργο που αποδίδεται από τον αριθμό κύκλων του κινητήρα που επιτυγχάνονται στη μονάδα του χρόνου.
(iii) Η μέγιστη ροπή στρέψης εκφράζει το σημείο όπου έχουμε την αποδοτικότερη λειτουργία του κινητήρα, άρα και τη μέγιστη οικονομία καυσίμου.
(iv) Η μέγιστη ιπποδύναμη εκφράζει την υψηλότερη δυνατή ταχύτητα που μπορεί να επιτευχθεί από ένα αμάξωμα όταν ο συγκεκριμένος κινητήρας συνδυαστεί με το απολύτως «ταιριαστό» κιβώτιο ταχυτήτων, διαφορικό και διάμετρο τροχών.
(v) Η μορφή της καμπύλης ιπποδύναμης (μέχρι και το μέγιστο σημείο της) εκφράζει την ικανότητα του κινητήρα να επιταχύνει. Σε συνδυασμό με την κλιμάκωση του κιβώτιου ταχυτήτων, μας ενδιαφέρει απόλυτα η μορφή της καμπύλης ιπποδύναμης λίγο πριν και μετά το μέγιστο σημείο της, έτσι ώστε να επιλεχθεί ο αριθμός στροφών που θα πρέπει να «κρατηθεί» κάθε ταχύτητα πριν την αλλαγή της, ώστε να έχουμε τι ς καλύτερες επιταχύνσεις. Όλα τα παραπάνω ισχύουν (σαν αριθμοί και αποτελέσματα) μόνο στην περίπτωση της οδήγησης με τέρμα γκάζι. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, μόνο το σημείο της εμφάνισης της μέγιστης ροπής μένει - περίπου - σταθερό.
Βιβλιογραφία: 1) http://iceal.wikidot.com/ropi-strepsis
2) http://www.caroto.gr/2012/05/13/power-torque-internal-combustion-engine/
3) www.first-hand.info
Η αλήθεια είναι οτι υπάρχει μια σύγχυση στο θέμα αυτό. Ακούγονται διάφορες απόψεις όπως: «αυτός ο κινητήρας είναι ροπάτος, οι βενζινοκινητήρες δεν έχουν τη
ροπή των ντίζελ, οι πετρελαιοκινητήρες δεν βγάζουν τα άλογα των βενζινοκινητήρων, η
ισχύς μας δείχνει πόσο γρήγορος είναι ένας κινητήρας ενώ η ροπή πόσο δυνατός είναι........ και άλλες τέτοιες εκφράσεις. »
Πάμε να δούμε τι πραγματικά συμβαίνει:
Από πλευράς της φυσικής, έχουμε τους ακόλουθους ορισμούς:
Η δύναμη F είναι η αιτία που ασκείται σε ένα σώμα (με μόνιμη ή ελαστική παραμόρφωση) ή αυτή που μεταβάλλει την κινητική κατάσταση του. H δύναμη F προκύπτει από το γινόμενο F=m*γ (m: μάζα), (γ: επιτάχυνση) με μονάδα μέτρησης το N (Newton, 1N=kg*m/s2)
Η ροπή M προκύπτει από το γινόμενο M=F*d (όπου d η απόσταση) και σχετίζεται από την εφαρμογή της δύναμης σε ένα σώμα που περιστρέφεται ως προς ένα σημείο. Μετριέται σε Nm («νιουτόμετρα») ή Kgm (χλγμ. ή «κιλά ροπής»). Η ροπή σε ένα κινητήρα είναι το γινόμενο της δύναμης (από την εκτόνωση των καυσαερίων μέσω του εμβόλου) που ασκείται στο στρόφαλο του κινητήρα επί τη απόσταση του σημείου εφαρμογής από τον άξονα περιστροφής (η κάθετη απόσταση της μπιέλας από το στρόφαλο π.χ. στο ΑΝΣ είναι μηδενική). Η ροπή στρέψης σε ένα κινητήρα δεν είναι σταθερή και μεταβάλλεται στο εύρος των στροφών λειτουργίας ανά κύκλο περιστροφών του κινητήρα.
ροπή = δύναμη x απόσταση
Η ισχύς P είναι φυσικό μέγεθος που χρησιμοποιείται ως μέτρο σύγκρισης για την απόδοση διαφόρων μηχανών. Από την σχέση P=W/t γίνεται αντιληπτό πως η ισχύς προέρχεται από το έργο που παράγεται σε μία δεδομένη στιγμή δηλ. μας δείχνει τον ρυθμό με τον οποίο παράγεται το έργο (όσο πιο γρήγορα παράγεται, τόσο πιο γρήγορη η επιτάχυνση). Μετριέται σε Watt (W) αλλά πιο διαδεδομένη μονάδα είναι ο μετρικός ίππος (1 PS= 0,736 kW) και λιγότερο ο βρετανικός ίππος (1 HP=0,746 kW).
ισχύς = ροπή x συχνότητα περιστροφής
Ένας βασικός νόμος που διέπει τις Μ.Ε.Κ. είναι ο εξής: " η ισχύς ισούται με το γινόμενο της στιγμιαίας ροπής επί την συχνότητα περιστροφής (τις rpm που δεν είναι άλλο από την γωνιακή ταχύτητα). "
Παρακάτω φαίνεται ένα τυπικό διάγραμμα: Torque = f (Speed)
 |
| Πηγή: www.enginebasics.com |
Πως μετριέται η ιπποδύναμη ενός κινητήρα ;
Η ιπποδύναμη ενός κινητήρα μετριέται χρησιμοποιώντας ένα δυναμόμετρο, όπου με τέρμα το γκάζι μετρά την δύναμη στον στροφαλοφόρο (στατική μέτρηση, για αυτό αποκαλούνται ως δυναμόμετρα πάγκου) δίχως να επηρεάζονται από τις απώλειες της μετάδοσης. Τα δυναμόμετρα με κυλίνδρους που χρησιμοποιούνται στα συνεργεία μετρούν την ισχύ στον τροχό που είναι μικρότερη απ' ότι στον στρόφαλο. Μετά υπολογίζουν τις απώλειες μετάδοσης κ.α. και προσθέτουν την «χασούρα» για να υπολογίσουν την πραγματική ισχύ.
Αν μετρήσουμε τη ροπή στρέψης, όχι με τέρμα γκάζι, αλλά με τα 3/4 του μέγιστου, το 1/2, το 1/4 κ.ο.κ., θα έχουμε μια σειρά από αντίστοιχες καμπύλες που θα παρουσιάζουν ένα κοινό σημείο: η κορύφωσή τους θα γίνεται στις ίδιες ή παραπλήσιες στροφές με αυτές της καμπύλης ροπής σε τέρμα γκάζι!
Στις στροφές όπου εμφανίζεται η μέγιστη ροπή στρέψης ελαχιστοποιείται η ειδική κατανάλωση.
Μια βασική παράμετρος που έρχεται να προστεθεί, είναι το κιβώτιο ταχυτήτων, το οποίο πολλαπλασιάζει ή υποπολλαπλασιάζει (ανάλογα με τη σχέση) τη δύναμη ή καλύτερα τη ροπή που μεταφέρεται στους τροχούς. 'Ένας κινητήρας δείχνει πολύ πιο ροπάτος με κιβώτιο 6 σχέσεων από ότι με 5. Επειδή το όριο των rpm σε έναν πετρελαιοκινητήρα είναι μικρότερο, συνηθίζεται να χρησιμοποιούνται μακρύτερες σχέσεις με σκοπό να επιτευχθεί ικανοποιητική τελική (απέναντι σε βενζινοκίνητη έκδοση). Με «κοντύτερες» σχέσεις κιβωτίου (δηλ. όταν μία σχέση βγάζει λιγότερα km/h ανά 1.000 rpm) κερδίζουμε σε ροπή αλλά χάνουμε σε ταχύτητα περιστροφής.
Άλλες παράμετροι, είναι το προφίλ ελαστικού και η διάμετρος της ζάντας (αν αναφερόμαστε σε αυτοκίνητα και μηχανές), όπου όσο μεγαλώνει η τιμή αυτή τόσο αυξάνεται η ταχύτητα.
Με άλλα λόγια όταν επιθυμούμε καλύτερη επιτάχυνση κατεβάζουμε σχέση μετάδοσης ώστε με άμεσο τρόπο να αναζητήσουμε περισσότερη ροπή !
Ποιά τα στάδια μετάβασης σε έναν εμβολοφόρο κινητήρα ;
Γενικά, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης δε είναι τίποτε άλλο από ένας μετατροπέα ενέργειας: παραλαμβάνει χημική ενέργεια (μέσω του καυσίμου) και αποδίδει μηχανική ενέργεια στην έξοδο του στροφαλοφόρου άξονα και θερμική ενέργεια που αποβάλλεται στο περιβάλλον υπό μορφή απωλειών.
- H ευθύγραμμη δύναμη που προέρχεται από την χημική έκρηξη του καυσίμου, είναι αυτή που σπρώχνει τα έμβολα (πιστόνια) για να περιστρέψουν τον στροφαλοφόρο. Η δύναμη κάθε "πιστονιάς" λοιπόν, εξαρτάται από την ογκομετρική απόδοση του κυλίνδρου δηλαδή απο το πόσος αέρας θα μπει (γι αυτό τα τούρμπο προσφέρουν περισσότερη ροπή). Άρα η ροπή εξαρτάται απο την ογκομετρική απόδοση των κυλίνδρων αλλά και απο το μήκος της μπιέλας (μοχλοβραχίονας σε σχέση με τον στροφαλοφόρο) όπου όσο μακρύτερο μήκος έχω τόσο περισσότερη και η ροπή στρέψης.
- Η ευθύγραμμη κίνηση αυτή, μετατρέπεται σε περιστροφική στο στροφαλοθάλαμο και έτσι λόγω της περιστροφής του στροφαλοφόρου η παραγόμενη ροπή είναι η δύναμη που φτάνει στους τροχούς.
Εδώ, θα πρέπει να πούμε το εξής:
Η παραγόμενη ροπή στο στρόφαλο δεν είναι σταθερή σε μέγεθος ! και αυτό διότι κατά τη διάρκεια της προς τα κάτω κίνησης του εμβόλου (στη φάση της καύσης και της εκτόνωσης) η πίεση στην κεφαλή του δεν είναι σταθερή, αλλά παρουσιάζει μια αυξομείωση. Εξίσου μη σταθερή είναι κι η απόσταση της δύναμης της μπιέλας από το κέντρο του στροφάλου: αυτή η απόσταση μεταβάλλεται ανάλογα με τη γωνία της μπιέλας ως προς το στρόφαλο, στη διάρκεια που το έμβολο κατεβαίνει προς το Κάτω Νεκρό Σημείο.
Τι ισχύει στα μονοθέσια της F1 και αντίστοιχα στις αγωνιστικές μηχανές ;
Oι κινητήρες τους έχουν κυλίνδρους με εξαιρετικά μεγάλη διάμετρο αλλά με μικρή διαδρομή, αφού έτσι επιτυγχάνουν: υψηλές rpm και απόδοση της μέγιστης ροπής κοντά στη μέγιστη ισχύ. Δηλαδή για να πετύχουν τη καλύτερη δυνατή επιτάχυνση απαιτείται η μεγαλύτερη τιμή ροπής σε υψηλότερες rpm και όσο το δυνατό πιο κοντά στην τιμή μέγιστης ισχύος.
Κάτι τέτοιο στα συμβατικά αυτοκίνητα παραγωγής, δηλαδή η απουσία ροπής στις χαμηλές rpm θα καθιστούσε εξαιρετικά δύσκολη ακόμη και την εκκίνηση !
Από την άλλη η ισχύς και συγκεκριμένα η ιπποδύναμη είναι αυτή που σε ένα κινητήρα εκφράζει το συνολικό έργο των καύσεων ανά μονάδα χρόνου.
1ο Βασικό συμπέρασμα: Η ροπή μας δείχνει την ικανότητα του κινητήρα σε μία συγκεκριμένη στιγμή το πόσο εύκολα μπορεί να ξεπεράσει αντιστάσεις (π.χ. αυξημένο βάρος, άμεση επιτάχυνση, ύπαρξη ανηφορικών διαδρομών, κτλ) ενώ η ιπποδύναμη μας δείχνει πόσο γρήγορα μπορεί να πραγματοποιήσει ένα ορισμένο έργο.
Η απόδοση ενός κινητήρα
Εξαρτάται από δύο παράγοντες: α) από το πόσο μεγάλη είναι η ποσότητα της χημικής ενέργεια που μπορεί να «διαχειριστεί» και β) από το πόσο σωστά γίνεται η «διαχείριση» της χημικής ενέργειας έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί το μηχανικό αποτέλεσμα και να ελαχιστοποιηθούν οι θερμικές απόκλειες.
Οι παράμετροι που εκφράζουν την απόδοση ενός κινητήρα είναι: α) η ισχύς, β) η ροπή στρέψης και γ) η ειδική κατανάλωση καυσίμου. Οι δυο πρώτες εκφράζουν αποκλειστικά το μηχανικό αποτέλεσμα, ενώ η τρίτη είναι εξίσου μεγάλης σημασίας, αφού μας πληροφορεί για την αποτελεσματικότητα του κινητήρα στο να μετατρέψει σε μηχανικό έργο την ενέργεια που του παρέχουμε υπό μορφή καυσίμου: η έννοια γραμμάρια καυσίμου ανά ίππο και ώρα είναι ένας πρακτικός και έμμεσος τρόπος για να εκφράσουμε το βαθμό απόδοσης του κινητήρα.
Κινητήρας σχετικά αργόστροφος.
Στόχος η επίτευξη της μέγιστης ιπποδύναμης σε χαμηλές στροφές λειτουργίας, δηλαδή βγάζει υψηλή ροπή στρέψης στις «λίγες» στροφές λειτουργίας και χαμηλή στις υψηλότερες.
Κινητήρας πολύστροφος.
Η επίτευξη υψηλής ιπποδύναμης επιτυγχάνεται με τη διατήρηση μιας «μέτριας» τιμής ροπής, αλλά σε υψηλό ρυθμό περιστροφής.
2ο Βασικό συμπέρασμα: Στη περιοχή της μέγιστης ροπής στρέψης έχουμε την οικονομικότερη λειτουργία του κινητήρα. Ανεξάρτητα από το αν πατούμε το γκάζι τέρμα ή όχι, ο κινητήρας μας αξιοποιεί τη βενζίνη που του «δίνουμε» με τον καλύτερο τρόπο.
Ένα τυπικό διάγραμμα ροπής στρέψης στο μόνο που μας χρησιμεύει είναι οτι μας δίνει τη μέγιστη τιμή της ροπής και στις στροφές στις οποίες εμφανίζεται. Για παράδειγμα, μια διαφορά της τάξης του ενός χιλιογραμμομέτρου ροπής ανάμεσα σε δύο κινητήρες στις 2000 στροφές, μεταφράζεται σε κάτι λιγότερο από 3 ίππους διαφοράς στην ιπποδύναμη. Η ίδια όμως διαφορά στις 6500 στροφές σημαίνει 9 ίππους (!) κάτι που γίνεται αμέσως εμφανές σε ένα διάγραμμα ιπποδύναμης.
Υπολογισμός των ίππων κάθε χρονική στιγμή
Αν ξέρουμε τη ροπή που αποδίδει ένας κινητήρας σε κάποιο ρυθμό περιστροφής μπορούμε εύκολα να βρούμε πόσοι ίπποι αποδίδονται εκείνη τη στιγμή: χοντρικά, πολλαπλασιάζοντας την τιμή της ροπής (σε χιλιογραμμόμετρα) επί τον αριθμό στροφών (ανά λεπτό) και επί τον διορθωτικό συντελεστή 14/10.000, βρίσκουμε την ισχύ που αντιστοιχεί σε αυτό τον αριθμό στροφών.
Για παράδειγμα, αν ξέρουμε για κάποιον κινητήρα ότι αποδίδει 8 χγμ. στις 3000 σ.α.λ. και 7 στις 6000, μπορούμε πανεύκολα να βρούμε ποια είναι η ιπποδύναμη στις δύο αυτές συχνότητες περιστροφής:
Στις 3000 σ.α.λ., έχουμε:
Ισχύς (HP)=8x3000x 14/10000=33.6
Στις 6000 σ.α.λ., έχουμε:
Ισχύς (HP)=7x6000x 14/10000=58.8
Αντίστροφα, αν ξέρουμε σε κάποιες στροφές την ιπποδύναμη που αποδίδει ο κινητήρας, μπορούμε να βρούμε τη ροπή (σε χγμ.) που αντιστοιχεί, αν πολλαπλασιάσουμε την ισχύ (σε HP) με το 10000 και διαιρέσουμε το αποτέλεσμα με το δεκατετραπλάσιο του αριθμού στροφών.
Για παράδειγμα, η ροπή που παράγει ένας κινητήρας στις 4800 σ.α.λ., όταν εκεί αποδίδει 60 ίππους, είναι:
Μ (χγμ.)=10.000 x60/(14χ4800)=600.000/67.200=8.9
Ποιό το συμπέρασμα στο οποίο καταλήγουμε ;
(i) Η ροπή στρέψης δεν εκφράζει την απόδοση του αυτοκινήτου, αλλά την «ποιότητα» και «ένταση» της καύσης σε κάθε κύκλο.
(ii) Η ιπποδύναμη εκφράζει το συνολικό έργο που αποδίδεται από τον αριθμό κύκλων του κινητήρα που επιτυγχάνονται στη μονάδα του χρόνου.
(iii) Η μέγιστη ροπή στρέψης εκφράζει το σημείο όπου έχουμε την αποδοτικότερη λειτουργία του κινητήρα, άρα και τη μέγιστη οικονομία καυσίμου.
(iv) Η μέγιστη ιπποδύναμη εκφράζει την υψηλότερη δυνατή ταχύτητα που μπορεί να επιτευχθεί από ένα αμάξωμα όταν ο συγκεκριμένος κινητήρας συνδυαστεί με το απολύτως «ταιριαστό» κιβώτιο ταχυτήτων, διαφορικό και διάμετρο τροχών.
(v) Η μορφή της καμπύλης ιπποδύναμης (μέχρι και το μέγιστο σημείο της) εκφράζει την ικανότητα του κινητήρα να επιταχύνει. Σε συνδυασμό με την κλιμάκωση του κιβώτιου ταχυτήτων, μας ενδιαφέρει απόλυτα η μορφή της καμπύλης ιπποδύναμης λίγο πριν και μετά το μέγιστο σημείο της, έτσι ώστε να επιλεχθεί ο αριθμός στροφών που θα πρέπει να «κρατηθεί» κάθε ταχύτητα πριν την αλλαγή της, ώστε να έχουμε τι ς καλύτερες επιταχύνσεις. Όλα τα παραπάνω ισχύουν (σαν αριθμοί και αποτελέσματα) μόνο στην περίπτωση της οδήγησης με τέρμα γκάζι. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, μόνο το σημείο της εμφάνισης της μέγιστης ροπής μένει - περίπου - σταθερό.
~ Ιπποδύναμη είναι το πόσο γρήγορα χτυπάς το τοίχο !
ενώ
Ροπή είναι το πόσο μακριά θα πας το τοίχο οταν τον χτυπήσεις ! ~
Βιβλιογραφία: 1) http://iceal.wikidot.com/ropi-strepsis
2) http://www.caroto.gr/2012/05/13/power-torque-internal-combustion-engine/
3) www.first-hand.info
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου