BLOGΔΙΑΦΟΡΑ ΘΕΜΑΤΑΝίκος Ι. ΜαρινόπουλοςΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Ισχύς & ροπή, παράλληλοι βίοι… [blog]

newton cradle

Μέσα από άτακτους συνειρμούς και εύλογα ερωτήματα συσχετίζουμε την ιπποδύναμη με την ροπή και αναζητούμε διαφορές και ομοιότητες…

Αφενός το προηγούμενο άρθρο για την απόδοση μίας ΜΕΚ και αφετέρου η διάδοση της πετρελαιοκίνησης που δημιουργεί «ροπάτες» απορίες για πολλούς επαναφέρουν στο προσκήνιο ένα βασικό ερώτημα: ποια η διαφορά της ροπής από την ισχύ; Τι είναι αυτό που συνδέει την ισχύ με την ροπή σε έναν κινητήρα; Αν δείτε ένα 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;

Για παράδειγμα θα έχετε ακούσει να λένε πως «αυτός ο κινητήρας είναι ροπάτος, οι βενζινοκινητήρες δεν έχουν την ροπή των ντίζελ, οι πετρελαιοκινητήρες δεν βγάζουν τα άλογα των otto, η ισχύς μας δείχνει πόσο γρήγορο είναι ενώ η ροπή πόσο δυνατό είναι ένα αυτοκίνητο» και πολλές άλλες ανάλογες εκφράσεις που ίσως να σας έχουν μπερδέψει. Παρεμπιπτόντως θα ήταν σοφό για κάποιον να επέλεγε ένα πετρελαιοκίνητο πρωτίστως για την μειωμένη κατανάλωση (που οφείλεται κυρίως στην μεγάλη σχέση συμπίεσης) και όχι για την μεγαλύτερη ροπή -που ευνοείται από το στάνταρ τούρμπο και τη σχετικά κοντή κλιμάκωση- αφού όπως θα δούμε παρακάτω δεν σημαίνει απαραίτητα πως είναι και πιο δυνατό/ταχύτερο από ένα βενζινοκίνητο αυτοκίνητο (σ.σ. εδώ είνα άδικο να συγκρίνει κανείς ατμοσφαιρικό βενζινοκινητήρα με τούρμπο-ντίζελ). Όπως είναι φυσικό για το συγκεκριμένο θέμα έχουν γραφτεί πάρα πολλά και για αυτό παραθέτω τους συνειρμούς μου σε αριθμημένες παραγράφους ώστε να διευκολυνθούν οι σχολιασμοί…

balance-power-1Η 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 σεNm («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) και στα αυτοκίνητα την αντιλαμβανόμαστε χρησιμοποιώντας τον μετρικό ίππο (1 PS= 0,736 kW) και λιγότερο τον βρετανικό ίππου (1 HP=0,746 kW).

Επί των σημείων

(1). Για να κατανοήσει κανείς το μέγεθος της ροπής ας φέρει στο νου του το κλασικό παράδειγμα με την δύναμη που ασκείται στα πεντάλ ενός ποδηλάτου για να κινηθεί.  balance-power-1Όσο πιο μεγάλη η δύναμη στα πεντάλ, τόσο μεγαλύτερη η ροπή, άρα τόσο μεγαλύτερη η επιτάχυνση. Ισχύει κάτι τέτοιο και για τα αυτοκίνητα; Εδώ τα πράγματα ξεκαθαρίζει μία πολύ σημαντική αρχή που λέει πως για περιστρεφόμενα συστήματα όπως οι ΜΕΚ η ισχύς ισούται με το γινόμενο της στιγμιαίας ροπής επί την συχνότητα περιστροφής (τις rpm που δεν είναι άλλο από την γωνιακή ταχύτητα). Τελικά η ροπή δεν είναι αυτή που κινεί το αυτοκίνητο πολλαπλασιασμένη από το κιβώτιο ταχυτήτων και το διαφορικό;

(2). Η ιπποδύναμη ενός κινητήρα μετριέται χρησιμοποιώντας ένα δυναμόμετρο. Τι κάνει ένα δυναμόμετρο; Εφαρμόζει ένα φορτίο στον κινητήρα (δυναμοπέδη) και μετρά την δύναμη στον στροφαλοφόρου (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 από ότι στον στρόφαλο. Μετά υπολογίζουν τις απώλειες μετάδοσης κ.α. και προσθέτουν την «χασούρα» για να υπολογίσουν την «πραγματική» ισχύ.

bmw-twin-turbo(3). Άρα ένας καλός τρόπος για να συγκρίνεις τα χαρακτηριστικά ενός κινητήρα είναι το διάγραμμα ισχύος όπου δείχνει τις καμπύλες της ιπποδύναμης και της ροπής; Όπως είπαμε οι καμπύλες αυτές αφορούν στην μέτρηση επί πάγκου και διαφοροποιούνται σημαντικά από την κλιμάκωση του κιβωτίου ταχυτήτων και το τελικό διαφορικό. Για παράδειγμα, αν κινείστε σε ορεινές περιοχές θα ήταν λογικό να επιλέξετε ένα όχημα με π.χ. 180 Nm ροπής και 120 PS από ένα άλλο με 150 Nm και 150 PS; Περισσότερη ροπή δεν σημαίνει περισσότερη δύναμη που χρειάζεται κανείς στις ανηφόρες; Σε αυτό το σημείο λογαριάζουμε χωρίς τον ξενοδόχο ο οποίος δεν είναι άλλος από το κιβώτιο ταχυτήτων.

(4). ‘Ένας κινητήρας δείχνει πολύ πιο ροπάτος με κιβώτιο 6 σχέσεων από ότι με 5. Επειδή το όριο των rpm σε έναν πετρελαιοκινητήρα είναι μικρότερο είθισται να υιοθετούνται μακρύτερες σχέσεις για να επιτευχθεί ικανοποιητική τελική (απέναντι σε βενζινοκίνητη έκδοση). Για αυτό το λόγο ντίζελ κινητήρες με 5άρι κιβώτιο θυσιάζουν μέρος της ροπής τους ελέω της πιο αραιής κλιμάκωσης. Οπότε λόγω του κιβωτίου: η ισχύς/ροπή του κινητήρα που είναι διαθέσιμη είναι πάντοτε πολλαπλασιασμένη από αυτή του διαγράμματος ισχύος εκτός από την τελευταία μακρύτερη σχέση overdrive; Στην σχέση direct μπορούμε να υποθέσουμε πως έχουμε στη διάθεσή μας περίπου την ισχύ που θα είχαμε στον πάγκο;

1-ubk-17637(5). Οπότε θα μπορούσε να πει κανείς πως το αυτοκίνητο επιταχύνεται από την ροπή που φτάνει στους τροχούς και όχι από αυτή που δείχνει το διάγραμμα. Άλλωστε αυτό επιβεβαιώνεται από την αλλαγή προφίλ ελαστικού ή διαμέτρου ζάντας (όσο μεγαλώνει η τιμή αυτή τόσο αυξάνεται η ταχύτητα). Με «κοντύτερες» σχέσεις κιβωτίου (δηλ. όταν μία σχέση βγάζει λιγότερα km/h ανά 1.000 rpm) ή τελικό διαφορικό κερδίζουμε σε ροπή αλλά χάνουμε σε ταχύτητα περιστροφής. Με άλλα λόγια όταν επιθυμούμε καλύτερη επιτάχυνση κατεβάζουμε σχέση ώστε με άμεσο τρόπο να αναζητήσουμε περισσότερη ροπή. Μήπως τελικά η ροπή είναι αυτή που επιταχύνει ένα όχημα; Εδώ όμως να πούμε πως πατώντας το γκάζι δεν αναζητούμε την περιοχή της μέγιστης ροπής του κινητήρα αλλά ανεβάζουμε rpm προς τη μέγιστη ιπποδύναμη. Εδώ έχει πολύ μεγάλη σημασία το πώς απλώνεται η ροπή στο εύρος των rpm. Μήπως όμως είναι η ισχύς αυτή που εξασφαλίζει μέγιστη επιτάχυνση αφού μιλάμε για έργο ανά μονάδα χρόνου;

(6). Σε ένα αυτοκίνητο η κινητήρια δύναμη δεν είναι ελκτική αλλά η ροπή του κινητήρα; Η παραγόμενη ροπή κατά την περιστροφή του στροφαλοφόρου δεν είναι η δύναμη που φτάνει στους τροχούς; Αλλά πριν από αυτή η ευθύγραμμη δύναμη που προέρχεται από την χημική έκρηξη του καυσίμου δεν είναι αυτή που σπρώχνει τα έμβολα (πιστονιά) για να περιστρέψουν τον στροφαλοφόρο; Η δύναμη κάθε πιστονιάς, λοιπόν, εξαρτάται από την ογκομετρική απόδοση του κυλίνδρου (πόσος αέρας θα μπει, για αυτό τα τούρμπο προσφέρουν περισσότερη ροπή) και από αυτή εξαρτάται η ροπή. Επίσης, εξαρτάται και από το μήκος της μπιέλας (μοχλοβραχίονας σε σχέση με τον στροφαλοφόρο) όπου όσο μακρύτερη έχω τόσο περισσότερη και η ροπή στρέψης.

(7). Στις γρήγορες μοτοσικλέτες και στα μονοθέσια της F1 οι κινητήρες έχουν κυλίνδρους με εξαιρετικά μεγάλη διάμετρο και μικρή διαδρομή για υψηλές rpm και απόδοση της μέγιστης ροπής κοντά στη μέγιστη ισχύ. Εδώ θα μπορούσαμε να πούμε πως για βέλτιστη επιτάχυνση απαιτείται η μεγαλύτερη τιμή ροπής σε υψηλότερες rpm και όσο το δυνατό πιο κοντά στην τιμή μέγιστης ισχύος. Κάτι που ισχύει στα αγωνιστικά, όχι όμως και στα αυτοκίνητα παραγωγής όπου η απουσία ροπής στις χαμηλές rpm θα καθιστούσε εξαιρετικά δύσκολη ακόμη και την εκκίνηση!

Στο δια ταύτα

DB2010AU00792Αυτό που συμπεραίνει κανείς είναι πως η ροπή στρέψης από μόνη της εκφράζει ένα χαρακτηριστικό του κινητήρα αλλά όχι την απόδοση ενός αυτοκινήτου (για αυτό αρκετά ροπάτα ντίζελ είναι πιο αργά από τα βενζινοκίνητα με μεγαλύτερη ισχύ). Ένα τέτοιο χαρακτηριστικό μπορεί να είναι η ένταση της καύσης οπότε θα μπορούσε να πει κανείς πως κοντά στη μέγιστη τιμή της ροπής επιτυγχάνεται η βέλτιστη οικονομία καυσίμου.

Από την άλλη η ισχύς και συγκεκριμένα η ιπποδύναμη είναι αυτή που σε ένα κινητήρα εκφράζει το συνολικό έργο των καύσεων ανά μονάδα χρόνου. Με άλλα λόγια η ροπή μας δείχνει την ικανότητα του κινητήρα σε μία συγκεκριμένη στιγμή, πόσο εύκολα μπορεί να ξεπεράσει αντιστάσεις όπως αυξημένο βάρος στο αυτοκίνητο, άμεση επιτάχυνση, άνεση σε ανηφορικές διαδρομές. Από την άλλη, η ιπποδύναμη μας δείχνει πόσο γρήγορα μπορεί να πραγματοποιήσει ένα ορισμένο έργο, πόσο γρήγορα μπορεί ένας κινητήρας να επιταχύνει ένα αυτοκίνητο.

Οπότε το πόσο δυνατά ή γρήγορα είναι δύο αυτοκίνητα δεν αρκεί να συγκρίνει κανείς τα διαγράμματα ισχύος του αντιπαραθέτοντας τις καμπύλες ροπής και ιπποδύναμης. Αυτό που ίσως να ήταν ιδανικό είναι μία καμπύλη της δύναμης στον τροχό (δύναμη πρόωσης) λαμβάνοντας υπόψη την καμπύλη ισχύος, την κλιμάκωση του κιβωτίου, το ζεύγος κορόνας-πινιόν (κορωνοπήνιο) και την διάμετρο του τροχού(;).

Nίκος Ι. Mαρινόπουλος

Πρόκειται για τον δημιουργό και συντονιστή του καρότου με τις περισσότερες τεχνολογικές βιταμίνες σε όλον τον κόσμο!

ΑΥΤΟ ΤΟ ΔΙΑΒΑΣΕΣ;

Back to top button