W tej części omówię dwie podstawowe charakterystyki silników spalinowych oraz siły oporów ruchu samochodu, których równoważenie to zadanie dla momentu obrotowego silnika.
Charakterystyka zewnętrzna silnika spalinowego
Przeważnie jedyną dostępną jest charakterystyka zewnętrzna silnika ZI lub ZS (rys. 6), zwana również prędkościową. Są na niej dwa wykresy, które przedstawiają:
- zmianę wartości momentu obrotowego silnika Mo,
- zmianę wartości mocy silnika Ne, w zależności od prędkości obrotowej silnika.
Silnik ZI pracuje według charakterystyki zewnętrznej tylko przy maksymalnym otwarciu przepustnicy lub, w przypadku braku przepustnicy w silniku ZI, gdy zasysa on maksymalną masę powietrza dla danej prędkości obrotowej silnika (np. silniki firmy BMW z układem Valvetronic i silniki firmy Fiat z układem Multiair). Silnik ZS pracuje według charakterystyki zewnętrznej tylko wówczas, gdy wtryskiwana jest maksymalna dawka paliwa dla danej prędkości obrotowej silnika. Przypomnę, że silnik ZS zawsze zasysa maksymalną masę powietrza dla danej prędkości obrotowej silnika, z tym wyjątkiem, że ta zasada zmienia się, gdy pracuje układ recyrkulacji spalin.
Zamiast powyższych wywodów można stwierdzić, że silnik pracuje według charakterystyki zewnętrznej tylko wówczas, gdy kierowca naciśnie całkowicie pedał przyspieszenia. Gdy pedał przyspieszenia jest w innej pozycji, wówczas silnik pracuje zgodnie z tzw. charakterystyką mocy dławionych, o czym w następnym punkcie.
Analizując charakterystykę zewnętrzną silnika, należy zwrócić uwagę na następujące wielkości:
- maksymalny moment obrotowy silnika Momax i prędkość obrotową silnika nm lub jej zakres, przy której jest on osiągany,
- maksymalna moc silnika Nemax oraz prędkość obrotową silnika nm, przy której jest ona osiągana,
- minimalna nmin i maksymalna nmax prędkość obrotowa, w zakresie której silnik pracuje.
Charakterystyka mocy dławionych silnika spalinowego
Przez większy okres czasu pracy silnika kierowca nie naciska całkowicie na pedał przyspieszenia, czyli nie korzysta z jego maksymalnych osiągów. Wówczas silnik pracuje według tzw. charakterystyki mocy dławionych, zwanej też charakterystyką obciążeń częściowych. Składa się ona z dwóch grup wykresów (rys. 7): momentu obrotowego Mo i mocy silnika Ne. Każda z linii, z obu grup wykresów, odpowiada:
- dla silnika ZI – określonemu kątowi otwarcia przepustnicy (całkowite otwarcie przepustnicy przyjęto za 100%),
- dla silnika ZS – określonej wielkości dawki paliwa wtryskiwanej do silnika (maksymalną dawkę paliwa, dla każdej prędkości obrotowej silnika, przyjęto za 100%).
Kierowca, stosownie do:
- oczekiwanego rodzaju ruchu samochodu – jazda ze stałą prędkością, przyspieszanie lub hamowanie silnikiem,
- prędkości jazdy,
ustawia pedał przyspieszenia. W ten sposób spośród dwóch grup linii wykresów: momentu obrotowego Mo i mocy silnika Ne, wybiera parę linii, które są aktualną charakterystyką silnika.
Gdy pedał przyspieszenia nie jest naciśnięty, silnik pracuje na biegu jałowym. Gdy pedał przyspieszenia jest naciśnięty całkowicie, „do oporu”, wówczas silnik pracuje według charakterystyki zewnętrznej – jej linie są oznaczone jako 100%, zgodnie z wcześniej podaną zasadą. Każde pośrednie ustawienie pedału przyspieszenia (żółty zakres na rys. 7) oznacza wybór pośredniej charakterystyki pomiędzy charakterystyką silnika pracującego na biegu jałowym a charakterystyką zewnętrzną silnika.
Moment obrotowy a moc silnika spalinowego
Kształt wykresu momentu obrotowego Mo silnika i wielkości dla niego charakterystyczne są ważniejsze od kształtu wykresu mocy silnika i jego wielkości charakterystycznych. Każdy punkt wykresu momentu obrotowego Mo określa wartości:
- momentu obrotowego silnika;
- prędkości obrotowej silnika, przy której określona wartość momentu obrotowego jest osiągana.
Przy włączonym, określonym przełożeniu skrzyni biegów:
- prędkość obrotowa silnika określa prędkość ruchu samochodu (pomijamy poślizg kół);
- moment obrotowy silnika, oddawany przy jego określonej prędkości obrotowej, musi być jednocześnie w stanie zrównoważyć sumę sił oporów ruchu samochodu.
Wyboru linii momentu obrotowego Mo i mocy Ne z charakterystyki silnika dokonujemy przez określone naciśnięcie pedału przyspieszenia (rys. 7).
Przy wyznaczaniu charakterystyki zewnętrznej silnika lub charakterystyk obciążeniowych podczas badań silników na hamowniach silnikowych:
- przy różnych prędkościach obrotowych silnika mierzone są wartości momentu obrotowego, a następnie wykonywany jest jego wykres;
- na podstawie zmierzonych wartości momentu obrotowego obliczana jest moc silnika, z którą silnik pracował przy każdej z prędkości obrotowych, przy której był mierzony moment obrotowy oraz jest wykonywany wykres mocy silnika.
Wykresy momentu obrotowego charakterystyki zewnętrznej silnika spalinowego
W danych technicznych jest podawany tylko maksymalny moment obrotowy silnika Momax, maksymalna moc silnika Nemax oraz prędkości obrotowe, przy których obie wielkości są osiągane – odpowiednio nm i nn (rys. 6). Same wartości mało mówią. Aby ocenić lub porównać silnik z innym, trzeba poznać przynajmniej jego charakterystykę zewnętrzną, a ściślej – kształt wykresów momentu obrotowego i mocy silnika. Przeanalizujmy kilka przykładów.
Wykresy na rys. 8. Pierwszą informacją jest prędkość obrotowa silnika nm, przy której jest osiągany maksymalny moment obrotowy Momax (rys. 8a i b). Jeśli jest ona osiągana w niższym zakresie prędkości obrotowej (rys. 8a), to taki silnik powinien być bardziej „przyjazny” do jazdy w mieście, ponieważ samochodem z takim silnikiem można się zapewne sprawnie poruszać w ruchu miejskim bez konieczności wprowadzania silnika w wyższe zakresy prędkości obrotowych, co sprzyja obniżeniu zużycia paliwa. W wyższych zakresach prędkości obrotowych wartości momentu obrotowego są niższe, co powoduje, że przy wyższych prędkościach jazdy, np. poza miastem, samochód z takim silnikiem będzie zapewne cechował się mniejszymi wartościami przyspieszeń.
Jeśli tę samą wartość maksymalnego momentu obrotowego Momax silnik osiąga przy wyższej prędkości obrotowej nm (rys. 8b), to moc maksymalna Nemax takiego silnika będzie wyższa, co wynika ze wzoru do obliczania mocy silnika. Poza miastem samochodem z silnikiem o charakterystyce z rys. 8b będzie można poruszać się bardziej dynamicznie niż samochodem z silnikiem o charakterystyce z rys. 8a. Jednak w ruchu miejskim, gdy dla obniżenia zużycia paliwa powinien być wykorzystywany głównie dolny zakres prędkości obrotowej, silnik o charakterystyce z rys. 8b zapewni samochodowi gorsze przyspieszenia niż silnik o charakterystyce z rys. 8a. Silnik o charakterystyce z rys. 8b zmusza kierowcę oczekującego wyższych przyspieszeń do „głębszego” naciśnięcia pedału przyspieszenia, co jednak zwiększy zużycie paliwa. Z przedstawionych powyżej cech obu charakterystyk z rys. 8 wynika dążność firm do sięgania po rozwiązania konstrukcyjne, takie jak np. zmienne fazy rozrządu, doładowanie sprężarkowe lub bezsprężarkowe, które zwiększają wartość momentu obrotowego silnika, zarówno w dolnym, jak i górnym zakresie jego prędkości obrotowej. Wykresy na rys. 9. przedstawiają trzy różne wykresy momentu obrotowego silnika. Wykresy z rys. 9a i 9b cechują się tym, że maksymalny moment obrotowy jest osiągany tylko przy określonej prędkości obrotowej silnika nm. Maksymalny moment obrotowy Momax na wykresie z rys. 9a jest mniejszy niż na wykresie z rys. 9b, ale wartość momentu obrotowego silnika na wykresie z rys. 9a łagodniej rośnie, a po osiągnięciu wartości maksymalnej Momax łagodniej maleje niż wartość momentu obrotowego na wykresie z rys. 9b.
Proszę zwrócić uwagę, że maksymalny moment obrotowy Momax na wykresie z rys. 9a i 9c jest taki sam, ale na wykresie z rys. 9a wartość ta jest osiągana tylko przy prędkości obrotowej silnika nm, a na wykresie z rys.9b, maksymalny moment obrotowy silnika Momax jest osiągany w zakresie prędkości obrotowej silnika od wartości nm1 do nm2. Samochód z silnikiem, którego moment obrotowy ma taki przebieg jak na rys. 9c, ma zapewne lepsze przyspieszenia niż samochód z silnikiem, którego moment obrotowy ma taki przebieg jak na rys. 9a.
Wykres na rys. 10. Czasami np. firmy tuningowe wskazują na maksymalną moc silnika Ne jako dowód swoich kompetencji. Może być ona uzyskana w ten sposób, że zostaje zwiększony maksymalny moment obrotowy silnika Momax oraz prędkość obrotowa silnika nm, przy której jest on osiągany. Moc silnika rośnie, bo większa jest wartość iloczynu momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika. Może się jednak okazać, że samochodem z silnikiem o takiej charakterystyce jeździ się trudniej po mieście, ponieważ w dolnym zakresie prędkości obrotowych za niski jest moment obrotowy silnika.
Taka charakterystyka jak na rys. 10 może być typowa dla silnika samochodu sportowego, ale to również zależy od rodzaju zawodów: rajdy, wyścigi płaskie czy wyścigi górskie. Ponadto dla każdego rodzaju zawodów ważne są również: ilość zakrętów, prędkość, z którą te zakręty są przejeżdżane, długość prostych itp.
Dla silnika samochodu wyścigowego, który tylko raz rusza na starcie, a potem porusza się w zakresie prędkości np. od 150 do 200 km/h, a jedynie w jednym lub dwóch miejscach toru zwalania do prędkości np. 70 km/h, charakterystyka przedstawiona na rys. 10 może być odpowiednia. Ale dla samochodu rajdowego, szczególnie na rajdzie z dużą ilością ciasnych zakrętów i krótkich prostych, taka charakterystyka silnika może być nieodpowiednia. Oczywiście to również zależy od ilości przełożeń skrzyni biegów.
Opory ruchu samochodu
Zadaniem silnika spalinowego samochodu jest równoważenie sił oporów, które towarzyszą ruchowi samochodu. Rodzaj sił oporu i ich wartości zależą od tego, w jaki sposób porusza się samochód, z jaką prędkością. Poznajmy więc siły oporu.
Siła oporu toczenia Ft
Występuje zawsze, gdy samochód się porusza. Jej wartość jest praktycznie stała i nie zależy od prędkości jazdy samochodu (rys. 11). Siła oporu toczenia, działająca na każde z kół, to suma sił: powstałych wskutek odkształcenia opony, odkształcenia nawierzchni, tarcia w łożyskach koła, oporu powietrza stawianego obracającemu się kołu oraz oporu wynikającego z ustawienia koła pojazdu (siła oporu toczenia zależy np. od kąta zbieżności połówkowej koła).
Siła oporu powietrza Fp
Występuje zawsze, gdy samochód się porusza. Jej wartość można przedstawić wzorem (5):
Najistotniejsze jest to, że siła oporu powietrza zależy głównie od prędkości jazdy samochodu podniesionej do kwadratu. Dlatego im samochód szybciej się porusza, tym siła ta jest większa – pokazuje to linia wykresu na rys. 11 oznaczona Ft. Przy dwukrotnym wzroście prędkości jazdy siła oporu powietrza rośnie czterokrotnie.
Gdy tematem jest siła oporu powietrza, przywoływany jest często współczynnik oporu aerodynamicznego cx, którego wartość konstruktorzy starają się obniżyć. Zwrócę jednak Państwa uwagę na tendencję, którą zauważyłem u producentów samochodów osobowych. Jest nią budowa nadwozi podwyższonych oraz nadwozi o powiększonej objętości. W konsekwencji rośnie pole powierzchni czołowej pojazdu (A – we wzorze 5). Jako przykład do prezentacji wybrałem dwa modele Škody: Fabię oraz Roomster (rys. 12). Proszę zauważyć, że szerokość Škody Roomster jest tylko minimalnie większa niż Škody Fabii (rysunki są w skali), natomiast przekrój poprzeczny górnej części kabiny pasażerskiej Škody Roomster (od dolnej linii okien) jest większy niż Škody Fabii. Zaważyła na tym też większa wysokość Škody Roomster.
Jeździłem Škodą Roomster przez kilka dni. Nad głową jest więcej miejsca niż w innych samochodach, ale czy można go sensownie wykorzystać? Można tam tylko ulokować lekkie przedmioty, bowiem umieszczenie cięższych podnosi środek ciężkości, co niekorzystnie wpływa na stabilność samochodu. Marketingowcy Škody twierdzą, że Škoda Roomster to nowy wymiar samochodu o bardziej przestronnej kabinie. Jako inżynier powiem – za tę większą przestrzeń trzeba zapłacić zużyciem paliwa. Sprawdziłem to na kilkuset kilometrach niemieckich autostrad.
Z analogiczną sytuacją mamy do czynienia wówczas, gdy montujemy na dachu bagażnik. Jego wpływ na siłę oporu powietrza zależy od wartości współczynnika oporu aerodynamicznego cx i pola powierzchni czołowej A.
Siła bezwładności Fb
Jest to siła specyficzna. Dlaczego? Przyjrzyjmy się ruchowi klocka po poziomym podłożu. Na rys. 13a porusza się on ruchem jednostajnym, czyli:
- bez przyspieszenia (a = 0),
- ze stałą prędkością, przez co w kolejnych przedziałach czasu o tej samej długości (np. 1 sekunda) klocek przebywa te same odcinki drogi.
Wówczas pomiędzy klockiem a podłożem występuje tylko siła tarcia Fta. Jeśli chcemy uzyskać ruch jednostajny, musimy ją zrównoważyć.
Na rys.13b klocek porusza się ruchem przyspieszonym, czyli:
- z określoną wartością przyspieszenia (a > 0),
- z rosnącą prędkością, przez co w kolejnych przedziałach czasu o tej samej długości (np. 1 sekunda) klocek przebywa rosnące odcinki drogi.
Wówczas oprócz siły tarcia Fta pojawia się siła bezwładności Fb działająca przeciwnie do kierunku ruchu. Jeśli chcemy, aby klocek poruszał się ruchem przyspieszonym, musimy zrównoważyć sumę obu sił.
Siłę bezwładności obliczamy z wzoru (6):
Gdy przyspieszenie nie występuje, siła bezwładności ma wartość zerową. Gdy przyspieszenie występuje, towarzyszy mu zawsze siła bezwładności.
Analogicznie jest z samochodem. Gdy jedzie on ze stałą prędkością, przyjmijmy dla uproszczenia, że po drodze poziomej, działają tylko dwie siły oporu: toczenia Ft i powietrza Fp (rys. 14a). Gdy samochód przyspiesza, pojawia się dodatkowo siła bezwładności Fb (rys. 14b). Im większe jest przyspieszenie a lub masa pojazdu m, tym większa jest siła bezwładności Fb.
Siła oporu wzniesienia Fw
Jeśli samochód wjeżdża na wzniesienie (rys. 15a), przyjmijmy dla uproszczenia – ze stałą prędkością, to oprócz sił oporu: toczenia Ft i powietrza Fp działa na samochód również siła oporu wzniesienia Fw. Działa ona w takim kierunku, aby spowodować zjechanie samochodu ze wzniesienia. Aby samochód jechał pod górę, konieczne jest zrównoważenie sumy tych trzech sił (rys. 15a). Wartość siły oporu wzniesienia Fw nie zależy od prędkości jazdy. Zależy natomiast od kąta nachylenia wzniesienia i ciężaru samochodu. Im większa jest wartość każdej z obu wielkości, tym większa jest wartość siły oporu wzniesienia Fw.
Jeśli natomiast samochód zjeżdża ze wniesienia, wówczas siła oporu wzniesienia -Fw działa w kierunku jego ruchu, a więc przeciwnie do innych sił oporu ruchu (rys. 15b). Dzięki temu siła -Fw zmniejsza sumaryczny opór ruchu samochodu.
Udziały sił oporu przy różnych rodzajach ruchu samochodu
Przedstawia je wykres na rys. 16. W warunkach ruchu miejskiego (słupek A – homologacyjny cykl miejski, wykorzystywany w badaniach homologacyjnych samochodu) największy udział mają opory toczenia i bezwładności, łącznie 87,5%. Duży udział siły bezwładności wynika z częstego ruszania samochodu po zatrzymaniu, co jest typowe dla jazdy miejskiej. Udział oporów powietrza jest niewielki, bo prędkości ruchu są niewielkie (średnia prędkość samochodu w homologacyjnym cyklu miejskim wynosi 18,7 km/h).
Natomiast gdy samochód porusza się z większą, ale stałą prędkością 90 km/h (słupek B), decydujący udział ma opór powietrza, który jeszcze wzrasta, gdy rośnie prędkość jazdy samochodu, np. do 120 km/h (słupek C). Przy jeździe ze stałą prędkością nie występuje siła bezwładności (słupki B i C), ponieważ samochód nie przyspiesza.
Podsumowując – w warunkach ruchu miejskiego o zużyciu paliwa decydują siła oporu toczenia i siła bezwładności, a podczas jazdy ze stałą prędkością decydująca jest siła oporu powietrza.
mgr inż. Stefan Myszkowski
Komentarze (6)