Technika motocyklu - 13. část - Výkon a kroutící moment

Určení výkonu a kroutícího momentu je jedna z užitečných informací při úpravách spalovacích motorů. V dřívějším článku byly dány pravidla pro závislost těchto veličin. Je nutné mít na paměti vzájemnou provázanost a spojitost kroutícího momentu a výkonu, mezi kterými platí vztah P=2×π×M×n, kde π je Ludolfovo číslo (3.14), M je kroutící moment a n jsou otáčky. Z čehož vyplývá, že výkon může růst i tehdy, pokud kroutící moment klesá, ale otáčky rostou. Pokud se zaměříme na výše uvedený vztah, vidíme, že např. hodnota maximálního výkonu nám o motoru neřekne téměř nic. Nutné jsou samozřejmě otáčky při kterých daný výkon je, z čehož si můžeme udělat obrázek o kroutícím momentu v tom daném místě. Jako příklad uvedu dva motory stejného výkonu – slabší „padesátka“ s výkonem 2,5 kW a stejně výkonný motor vlastně motorek závodního autíčka na dálkové ovládání o objemu 3ccm (!). Tento výkon však každý podává v naprosto jiných otáčkách, 50ccm motor při 5000ot/min a 3ccm motor při 40 000 ot/min. Maximální moment musí mít své maximum v nižších otáčkách než je maximum výkonu a platí i další pravidla. Např. pokud vedeme tečnu ke křivce výkonu z počátku souřadnic, dotkne se křivky právě v otáčkách maximálního kroutícího momentu (viz obr).

Méněválcové motory nejsou schopny vlivem setrvačných hmot takových otáček jako motory víceválcové a i když mají dostatečný kroutící moment v nízkých otáčkách, nemohou mít srovnatelné výkony právě z důvodu provozu v nižších otáčkách. Dříve již byly popsány zmiňované veličiny, ale přesto si dovolím ujasnění. Kroutící moment vychází z klikové hřídele a je násoben pomocí převodů a přenášen na zadní kolo. Jeho část se ztratí ve formě tepla a tak na zadní kolo dojde jen cca 85%. Kroutící moment na zadním kole tedy závisí na aktuálním převodu. Výkon (viz vzorec) udává „jak často je daný moment k dispozici“ – čili kolikrát za jednotku času máme hnací sílu. Z teorie spalovacího motoru víme, že síla na píst není konstantní a tak ani moment konstantní býti nemůže a má průběh zakreslen v grafu. Průběh kroutícího momentu během jedné otáčky není ovlivněn pouze nekonstantním tlakem na píst (ten je maximální cca 3°-7° za HÚ při expanzi), ale i vzájemnou polohou ojnice-kliková hřídel čili maximální moment z tohoto hlediska bude maximální když ojnice bude vůči rameni klikové hřídele 90°. Záporné hodnoty momentu vyjadřují práci potřebnou na zrychlení pístu, na sání a výfuk. Tato práce je samozřejmě nežádoucí a lze ji pouze minimalizovat (optimální navržení výfukové soustavy, přeplňování apod.). Nyní může padnout námitka, že průběh zakreslen v grafu „Průběh kr. momentu na kl. hřídeli“ se neztotožňuje s grafem dynamometru. Grafy uváděné u motorů (z výkonové brzdy) ukazují efektivní hodnotu (průměrnou) pro každé otáčky.
Pokud pomocí převodů zvýšíme kroutící moment ze 100Nm (na motoru) na 1000Nm (na kole) musí se zákonitě snížit 10× otáčky z motoru na kolo (neuvažujeme nyní ztráty). Součin otáčky×moment zůstává tedy konstantní a tak výkon na motoru je stejný jako výkon na kole (prakticky však hrají roli ony zmiňované ztráty v převodech). Čím vyšší rychlostní stupeň tím nižší moment je „dopravován“ na zadní kolo a stoupají otáčky kola. Při malém výkonu motoru není možné zaručit u velkých otáček kola (odpovídající vysoké rychlosti) takový kroutící moment jako u motoru výkonného a vlivem jízdních odporů klesá i rychlost motocyklu a je nutné přeřadit na nižší rychlostní stupeň (neumožňující takové otáčky zadního kola pro dosažení vyšší rychlosti).
Laicky řečeno: moment dává zrychlení, výkon určuje maximální rychlost (prosím nebrat zcela doslova).

Určující faktory výkonu:

Výkon a kroutící moment jsou tedy dvě odlišné veličiny, ale jedna na druhé závislá.
Pokud se podíváme na vztah výkonu spalovacího motoru P= (V_m×p_e×n) / (30×t) V_m - objem motoru (L, dm3)
p_e - indikovaný tlak ve válci (MPa)
n - otáčky motoru (ot/min)
t - rozdělení dvoudobého (2) nebo čtyřdobého (4) motoru vidíme již na první pohled 2násobný výkon pro dvoudobý motor oproti motoru čtyřdobému. Realita je sice poněkud jiná, ale v silničním, motokrosovém, nebo i minibikovém sportu jezdí v jedné třídě dvoutakty se čtyřtakty dvojnásobného objemu. Dvoudobé motory jsou však velmi na ústupu a jsou v dnešní době vhodné jen v případě malých objemů (skútry, sekačky, minibike). Pokud ze vztahu odstraníme otáčky, dostaneme vzorec pro kroutící moment a ten závisí pouze na objemu motoru a efektivním tlaku. Objem máme konstantní, jediné co značně ovlivňuje chování motoru je právě tlak na píst (a tím síla na klikovou hřídel). Tlak je dán kvalitou hoření a především kvalitou připravené směsi. Velkou nevýhodou zážehového motoru (oproti vznětovému) je řízení výkonu škrcením směsi (šoupátko, klapka). Do spalovacího prostoru se tak dostává při nízké zátěži pouze zlomek objemu motoru a je naprosto nevyužito dvou (nedej bože tří) sacích ventilů. Motor pak není schopen dodávat takový kroutící moment, jaký je schopen dát při plně otevřené klapce. I měření na dynamometru je prováděno při plně otevřené klapce při standardní zkoušce – vnější rychlostní charakteristika. V článku o ventilech byla zmínka o účinnosti plnění. Motor má maximální kroutící moment v otáčkách svého nejlepšího plnění. Je zřejmé, že tlak na píst bude tím větší, čím větší bude hmotnost směsi. I když je zvykem udávat objem motoru, tak s ohledem na problematiku kroutícího momentu motoru je vhodnější bavit se o hmotnosti nasáté směsi. Důvod je ten, že velikost expanze je přímo úměrná počtu uhlovodíkových a kyslíkových molekul (samozřejmě při dodržení požadovaného směšovacího poměru). Počet je dán právě hmotností, jelikož objem je v tomto případě dosti relativní pojem. Poměrně snadnou záležitostí vyskytující se cca posledních 10let na sportovních motocyklech je náporové sání. Jedná se o vstup vzduchu do airboxu ze přední části motorky a využívající dynamiky vzduchu k plnění motoru. Katalogy výrobců udávají ohromující údaje, realita je však trošku horší. Ne každý motocykl má vstup do airboxu z míst s dostatečným přetlakem. Další způsoby plnění motoru jsou pomocí kompresorů a turbodmychadel. Zajímavých výsledků se dá dosáhnout i použitím oxidu dusného (nitro). Sladění sacího i výfukového systému je touha každého konstruktéra, a u každého výrobce najdeme u sportovních motocyklů určitá vylepšení. Systémy ovládané elektronikou na základě údajů z patřičných senzorů. Klapky na straně sání (Suzuki-SRAD, Honda-HVIX) nebo na straně výfuku (Suzuki-SET, Yamaha-EXUP, Honda-HVIX, Kawasaki). Pomocí těchto systémů lze rozšířit pásmo použitelnosti motoru. Každé otáčky vyvolávají specifické pulsace jak na sací tak na výfukové straně motoru. Tyto pulsace vůči navrženému sacímu nebo výfukovému potrubí mohou být pozitivní a motoru pomáhat, nebo negativní a tím škodit. Snahou je v závislosti na otáčkách přizpůsobovat sací a výfukový trakt požadavkům motoru.

Na grafech z dynamometru jsou vidět zásadní vlivy změny tlumiče výfuku.

Informace o redaktorovi

Mirek Rollinger - (Odebírat články autora)

POKRAČOVAT V DALŠÍ KAPITOLE