Napisal/-a samo mesarec Če okt 22, 2009 8:54 pm
Tole mi je že kar nekaj časa ležalo na duši, da napišem. Najbrž zato, ker vedno naletim na nesmisle okoli te teme, napačne razlage in primerjeve motorjev med seboj, razna zavajanja in samo gola absolutna gledanja dveh podatkov : max. moči in max. navora. A kot vedno, nikoli ni dovolj časa, no sedaj sem si ga vzel in dal stvari na papir, na ekran.
Za branje in razumevanje tega sestavka je sedaj čas, da v excelu odpreš priloženo datoteko "Podatki in grafi.xls" ter izmenjujoče slediš temu tekstu in ustreznim grafom in podatkom. Nič se ustrašit, podatkov je veliko a so zanimivi. Datoteka "Golf 4 GTI.xls" je kot dodatek mojega avtomobila, o katerem ne bo tekla beseda tu, vendar gre za isto tematiko z dodatkom meritve moči pri RSR in preračunom. Dodal sem tudi datoteko "prestavna razmerja.xls", s katero se da lepo dobiti iz prestav in dimenzij kolesa ter vrtljajev končne hitrosti v posameznih prestavah.
Še nekaj stvari, na katere bi rad opozoril. Tu ne bo šlo za debato, kateri motor je "boljši" v smislu porekla, zvoka, vzdržljivosti, priljubljenosti, izgleda, cene, porabe, mirnosti teka, kakovosti, uporabljene tehnologije in elektronike, smradu, dima, vibracij, a so njegovi stvaritelji poševnooki in jedo riž ali imajo trebuh in jedo klobasice, same teže avtomobila, aerodinamike itd. Šlo bo za primerjavo, kaj da določen motor od sebe ( moč in navor ) na glavno gred oziroma, kaj da potem preko menjalnika in diferenciala in koles na cesto.
In še to :
1.) vhodni podatki o moči in navoru na glavni gredi ( standardni podatki v katalogu ) so vzeti iz meritev moči in navora na merilnih napravah in taki, kot so, naj veljajo v tem sestavku. Če je kdo mnenja, da krivulja navora in moči ne ustreza posameznemu motorju, naj si jo popravi in podatke razlaga ponovno na svoj način, glede na popravke.
2.) zanemarjene so vse izgube v transmisiji zaradi preglednosti razlag, če jih kdo hoče upoštevati, naj pri preračunu navora, moči in sile na cesto upošteva 15% - 25% izgube.
3.) obseg kolesa je izračunan teoretično, npr. 205-55/16, obrabe profila 4mm, obseg je 1,96m, če se ga izmeri na dvignjenem avtomobilu, je 1,96m, če se ga izmeri s premikanjem avtomobila, ga izmerim 1,93m, ker je guma deformirana zaradi teže avta, vendar sem osebnega mnenja in prepričanja, da se pri cca. 160km/h zaradi centrifugalne sile guma raztegne nazaj na 1,96m. Zdrsavanje pogonskih koles ni upoštevano ( pogonsko kolo pri konstantni hitrosi zdrsuje npr. pri 100km/h za cca. 1%, pri 200km/h cca. 2% )
4.) uporabljene veličine :
F ... sila [N]
r ... ročica [m]
M ... navor [Nm]
P ... moč [W]
omega ... kotna hitrost [rd/s]
ni ... vrtilna frekvenca (kolesa, gredi) [1/s]
T ... obhodni čas (kolesa, gredi) [s]
a ... pospešek [m/(s*s)]
m ... masa [kg]
t ... čas [s]
A ... delo [J]
No, sedaj pa najlepše, kateri avtomobili (motorji) bodo primerjani ? V prvem delu bodo to trije z enako močjo in z zelo različnim navorom : 1. bencinar Mazda MX-3 V6 1.8 151KM, 188Nm z tuningom, da je toliko močna, 2. turbo bencinar VW Golf 4 GTI 1.8T 150KM, 215Nm, 3. turbo dizel VW Golf 4 1.9TDI 152KM, 348Nm.
V drugem delu pa bosta primerjana dva z enakim navorom, ampak različno močjo : 1. bencinar Honda S2000 238KM, 219Nm in 2. turbo dizel VW Golf 1.9TDI 91KM, 215Nm. Avtomobili so izbrani rahlo provokativno, da bo branje bolj napeto.
MALO UVODA :
Kaj je sedaj to moč in navor ? Eni pravijo, da je navor za v klanec, pa za prožnost, pa za vlečt prikolico, pa za z drugo speljat, pa da ni treba veliko prestavljati, potem pa, da je moč za pospeške, za hitrost, za končno hitrost itd. To so "zanimive" teze, a vse to je celo res in še celo to, da vse to velja prav tako za moč, kakor tudi za navor, saj sta navor in moč povezana z enostavno enačbo P=M*omega oziroma P=M*2*pi*ni, P=M*2*pi/T. Vse je samo odvisno, na kateri nivo se postavimo. Navor M je tudi produkt sile F in ročice r : M=F*r, torej ko govorimo o navoru, lahko vedno govorimo o neki sili na obodu gredi, zobnika, kolesa. Navor se prenese iz glavne gredi na menjalnik, diferencial in na gred kolesa, a več o tem kasneje. Torej, če pri 120km/h na avto deluje zunanja sila upora 450N, potem mora biti na stiku med pogonskima kolesoma in asfaltom nasprotna sila, ki kaže v smeri vožnje 450N, če želimo, da je hitrost konstantna. Če je te sile več, potem avto pospešuje in to po 2. Newtonovem zakonu F=m*a. Torej, če rezultanta sil na avto kaže v smeri vožnje, bo avto pospeševal, če kaže nazaj, bo avto zaviral, če je enaka nič, se avto vozi s konstantno hitrostjo. Vedno, ko želimo avto premikati, potrebujemo silo na stiku pogonskih koles in ceste. Kdo jo ustvarja ? Navor.
Kaj je z močjo ? Moč nam pove sposobnost za opravljanje dela. P=A/t. Več kot opravimo dela, hitreje lahko avto premaknemo iz točke A v točko B oziroma obratno, če želimo avto premakniti iz točke A v točko B na tak in tak način, moramo v časovni enoti opraviti toliko dela oziroma potrebujemo neko moč. Torej tudi moč rabimo za v klanec, pa za prikolico vlečt, pa za pospeške in končno hitrost, saj sta moč in navor povezana. Za nekam oziroma na nek način - režim se peljat lahko vedno trdimo: potrebujem takšno moč, da opravim to delo, oziroma potrebujem tak navor in s tem povezano silo kolesa na asfalt, da bo rezultanta vseh sil kazala v smeri vožnje, če hočem pospeševati, da bo enaka nič za konstantno hitrost in kazala nazaj, če hočem hitrost zmanjševati.
Torej gre pri moči, navoru in sili za eno in isto stvar, gre samo zato, na kateri nivo se postavimo, ko gledamo na problem. Če hočemo, da avto fino pospeši rabimo presežek moči oziroma presežek navora oziroma presežek sile; ali pa da gre avto fino 200km/h rabimo toliko moči, da premagamo vse upore oziroma rabimo toliko navora in s tem povezane sile med kolesom in asfaltom, da bo ta sila toliko velika, kot je vsota vseh uporov na avto.
PRVA PRIMERJAVA
Glej podatke MX-3. Pri vseh motorjih je v stolpec vstavljena moč, navor pa je izračunan z enačbo M=P/(2*pi*ni;) z upoštevanjem osnovnih enot. Gre za moč in navor na glavni gredi. Glej graf moči in navora MX-3. Graf je lepo gledati, a to ni še nič. Nujno je treba še izdelati grafa sile in moči na cesto v posameznih prestavah. Potrebno je poznati prestavna razmerja in diferencial, obseg kolesa in to je to. Kaj je važno : če zanemarimo izgube ( v realnosti se jih ne sme, zato so grafi na cesto samo za faktor izgub znižani ), se preko zobniškega para iz manjšega na večji zobnik moč ne spremeni, vrtljaji se zmanjšajo na večjem zobniku za faktor prestave, ki je enaka razmerju števila zobov, na ta račun pa se na večjem zobniku poveča navor za faktor prestave. Torej če gremo računati navor pri polnem plinu na pogonska kolesa v 1. prestavi pri 4000/min : N=188,2Nm*3,307*4,388=2731Nm. Temu navoru pa ustreza sila na stiku med kolesom in asfaltom F=M/r=2731Nm/0,289m=9450N, r je polmer kolesa, torej na posamezno kolo 4725N. 9450N je sila, s katero se MX-3 pri 4000/min v 1. prestavi vleče naprej. Tako se prav lepo izdela graf sile in moči na cesto v posameznih prestavah in ta je zelo merodajen.
Iz tega grafa se da lepo odčitati, pri katerih vrtljajih ( hitrosti ) je potrebno prestaviti v višjo prestavo - to je tam, kjer zmanjka modre črte ( rdeče polje ) oziroma tam, kjer se sekata dve sosednji modri črti. Enako se da sklepati tudi iz moči, kjer se sekata, saj je naprimer iz 3. prestave v 4. prestavo najbolje prestaviti pri 137km/h oziroma pri 7250/min, saj vztrajanje do 7500/min ni smiselno, ker je v 4. prestavi na voljo od 137km/h več moči in navora (sile), kot pa v 3. prestavi. Do 7250/min pa se v 3. prestavi vztraja, saj če prestavimo prej, pademo v območje z manjšo močjo in silo na cesto. Moč je v enotah 10W, torej je 10000 [10W] enako 100kW oziroma 136KM. Prav tako se lepo vidi, kakšna sila nam je na voljo v celotnem delovnem območju. Za zanimivost : brezstopenjski avtomatski menjalniki ( Multitronic, CVT ... ) imajo neskončno veliko krivulj moči, torej vozijo z ravno črto na vrhu. Glede točke navora pa potujejo po desni strani vseh neštetih krivulj navora, gre za eksponentno funkcijo. Vse to velja seveda, če vozimo s polnim plinom.
Na isti način so narejeni podatki in grafi za 1.8T 150KM in 1.9TDI 150KM.
Sedaj pa sledi primerjava.
Najprej vrišemo na isti graf krivulje moči in navora za vse tri motorje. Glej graf. MX-3 in 1.8T sta na hitro podobna, 1.9TDI pa ima krivuljo moči napihnjeno in to na sredini in se bohoti z velikim navorom, za katerega se bo hitro izkazalo, da ga sploh ni toliko, če se spustimo v primerjavo z bencinarjema in gledamo na istem nivoju. Zakaj tako? Glej graf moči in navora v odvisnosti od obratov (normiran). Stvar je v tem, da če bi 1.9TDI in oba bencinarja imeli enake menjalnike in diferenciale ( torej enako prestavo ), potem bi naprimer šla v neki prestavi MX-3 75km/h, 1.8T 65km/h in 1.9TDI 46km/h. Da je primerjava korektna, morajo vsi trije imeti tako prestavo ( torej vsak svojo ), da grejo pri rdečem polju enako hitro. Tako stopi v igro prestava : moč se ne spremeni, se samo krivulja razvleče v desno, navor pa se za faktor kvocienta vrtljajev oz. prestave spusti ( v konkretnem primeru za 75/46=1,63 ). Lahko gledamo tudi tako, da sedaj neki moči ustrezajo višji vrtljaji in zato je v tej točki posledično navor manjši. Tako dobimo nek "normiran" navor za 1.9TDI in 1.8T, saj se MX-3 najbolj vrti in ostane na referenčnem mestu. Enako bi lahko govorili, da 1.9TDI ostane na istem mestu, potem pa bi se bencinarjema za faktor prestave dvignil navor in tedaj so že spet bliže skupaj.
Torej je potrebno manj vrtečim se motorjem moč potegniti v desno, navor pa spustiti za faktor zaradi različnih vrtljajev in ne jih primerjati med seboj in govoriti, koliko več ima dizel navora.
Naenkrat je važno samo to, da je na x-osi neko delovno območje, npr od 20km/h do 150km/h in se motorji primerjajo. Na normiranem grafu se lepo vidi, da 1.9TDI nima več tako stašnega navora, v prvi tretjini območja je glede moči in navora podhranjen, v srednjem območju ima premoč, na koncu ga malo zmanjka. MX-3 ima dva valja več in nima turbine, zato ima na začetku prednost pred 1.8T, potem pa ga rahlo 1.8T vodi. Smiselno je govoriti tudi naprimer, da ima na sredini delovnega območja 1.9TDI 113KM, 1.8T in MX-3 pa 100KM. Zato v tem trenutku 1.9TDI bolj vleče, saj ima 13KM več moči in lahko opravi več dela, s tem posledično zaradi večje moči ima pa tudi več navora. Vse je povezano, odvisno je samo na katerem nivoju gledamo.
Stvar je še bolj očitna na grafu navora na kolesih v navidezni prestavi ( v taki, da imajo vsi rdeče polje pri 150km/h ). Prej smo imeli opravka z nekim navideznim navorom na glavni gredi, ki pa ga je potrebno uvesti, če smo korektni in med seboj primerjamo različno se vrteče motorje, drugače je slika zelo lažna glede navora. Sedaj pa imamo čisto konkreten primer. 150km/h je rdeče polje, temu je ustrezna prestava, gledamo navor na pogonskih kolesih. Slika govori zase. Poanta je v tem, da 1.9TDI nima 348/188=1,85 krat več navora kot MX-3, ko gledamo podatke iz kataloga, ampak je ta maximalna vrednost "samo" 1260Nm/1025Nm=1,23 krat večja, moramo pa tudi upoštevati, da je v nizkih obratih 1.9TDI dosti slabši. Vidi se tudi, da 1.9TDI pri hitrosti manjši od 33km/h obratuje pod 1000/min, MX-3 pa šele pri hitrosti manjši od 20km/h, kljub temu, da imasta oba rdeče polje pri 150km/h. Kaj to pomeni. Če dodamo še dejstvo, da imajo dizli turbo luknjo in mrtvilo pri nizkih obratih ter se ne vrtijo toliko kot bencinarji, potem sledi jasen zaključek, da morajo imeti dosti krajšo prvo prestavo, da se da normalno speljati ( govorim normalno, da se speljati tudi s 5. prestavo ) in da se da voziti v prvi prestavi pri 1000/min okoli 7km/h do 9km/h. Zato poglej graf sile na cesto v posameznih prestavah za vse avtomobile, kjer se vidi kratka prva prestava 1.9TDI-ja, ki je posledica zgoraj omenjenih dejstev. Ali se ASR vklaplja, ker ima 1.9TDI tak strašen 348Nm navor? Ne ! ASR se vklaplja v 1. prestavi pri 1.9TDI predvsem zato, ker ima kratko 1. prestavo in s tem veliko večjo silo na cesto - 80% delež in delno tudi zato, ker ima 1,23 krat več navora - 20% delež. Če bi šel 1.8T v 1. prestavi namesto 63km/h samo 44km/h, bi imel glede na obstoječe stanje 1,43 krat več navora na kolesih v 1. prestavi oziroma 1,43 krat večjo silo, kar bi zneslo 12007N proti 13557N od 1.9TDI in takrat bi tudi 1.8T vseskozi kopal oziroma bi se mu vklapljal ASR. Enako velja za MX-3.
Zanimiv je tudi graf moči na cesto v posameznih prestavah za vse avtomobile. Čimbolj je ravna črta za moč na vrhu, bolj je motor zmogljiv glede na dano največjo moč, saj daje v večjem delovnem območju največjo moč.
DRUGA PRIMERJAVA
Gre za bencinarja Hondo S2000 238KM, 219Nm in turbodizla VW Golf 1.9TDI 91KM, 215Nm. Dva motorja z enakim največjim navorom. Človek bi na pamet rekel ( ne jaz ), da bo najbrž 1.9TDI enako ali pa še bolj prožen, da pa bo S2000 imela veliko večjo končno hitrost in pospeške. Na žalost ne bo držalo tisto prvo. Poglejmo zakaj.
Najprej poglejmo graf moči in navora za S2000. Kaj je tu slabega, če je max. navor pri 6500/min ? Nič, to je le bonbonček na torti, ki pride na koncu. Če ga ne bi bilo, bi bil max. navor pri 2200/min in vsi bi bili srečni, kako fin motor je to. Tako pa je to dodatek k odličnim karakteristikam tega motorja. Navor takoj preide v konstantno vrednost, pri 5800/min pa se stvari utrga. Da o 9000/min ne govorimo. Pa še nekaj o 1.9TDI. Klasika. Malo turbo luknje, napihnjena krivulja navora, ki potem pada. Tipičen TDI z 215Nm max. navora. Sedaj pa konkretno. Glej graf moči in navora za oba motorja nenormirana. Krivulje so na istem grafu. Navor ima isto max. vrednost. 1.9 TDI pa je čisto na levi strani. Kaj sedaj ? Gremo v graf moči in navora za oba motorja normirana. To pa je kruta realnost. Moči od 1.9 TDI ni, a to je pričakovano, saj je očitno 238KM glede na 91KM. Vendar kaj je z navorom pri 1.9 TDI ? Ker je razmerje v končnih vrtljajih 9000/4700=1,915, je potrebno navor od TDI normirati za ta faktor, kar je na sliki šokantno, a resnično in realno. S2000 ima pri 1000/min več navora, kot 1.9 TDI kjerkoli. To je sedaj slavni navor. Stvar je še bolj očitna na grafu navora na kolesih v prestavi, kjer bi imela oba pri recimo 90km/h rdeče polje. V igri je ustrezna prestava, 1.9 TDI jo mora imeti za 1,915 krat daljšo, zato mu pade za toliko navor. S2000 ima pri 10km/h 1361Nm navora na cesto, pri 22km/h 2230Nm, vse do 56km/h, potem se motorju odfu**, navor naraste na 2500Nm in potem rahlo upada. 1.9TDI ima 1324Nm največjega navora pri 35km/h, njegov navor na cesto pa nikoli ne preseže Hondinega pri 1000/min. Vidi se tudi delovno območje, S2000 lahko vozi od 10km/h pri 1000/min do 90km/h pri 9000/min, 1.9TDI pa od 19km/h pri 1000/min do 90km/h pri 4700/min. Od tu lepo sledi, zakaj imajo dizli krajše prve prestave kot bencinarji.
Zanimiv je tudi graf sile na cesto v posameznih prestavah za oba avtomobila, kjer se vse to še enkrat jasno vidi. 1.9 TDI rukne z isto silo od 15km/h do 25km/h kot S2000 od 60km/h do 80km/h, ob tem, da ima S2000 prvo prestavo daljšo kot TDI drugo. Kaj bi bilo šele, če bi imela S2000 1. prestavo kratko kot TDI. Bili bi pri 20000N sile na cesto.
S to primerjavo nočem dajati 1.9TDI v nič, je fin motor, je pač samo čudovit primer, kako je lahko max. podatek o navoru zavajujoč, če ga ne znaš pravilno tolmačiti.
ZAKLJUČEK
S tem sem sestavkom sem želel pokazati, kako je potrebno primerjati motorje med seboj glede na to, kaj dajo od sebe. Kako se primerja dizla in bencinarja. Da maximalni dizelski navor živi v oblakih. Ga pa je ( navora namreč in s tem tudi moči ) v srednjem območju le toliko, da je motor zmoglivejši in močnejši v tem območju, če se ga primerja z enako močnim bencinarjem. Da obstaja turboluknja. Da ni zadosti, če poznaš dve točki : max. moč in navor; potrebni sta celotni krivulji po celem območju. Na cesto se prenaša navor preko menjalnika diferenciala ter kolesa, da dobimo silo. Obstajajo izgube v transmisiji. Prestave so važne. Avto najbolj pospešuje, ko je v točki obratov največje moči in ne največjega navora, če bi imeli možnost izbrati poljubno prestavo - brezstopenjski menjalniki. Če pa smo v dani prestavi, pa je jasno, da najbolj potegne, ko smo v točki največjega navora. Na koncu je tudi graf sile in moči za premagovanje zračnega upora glede na hitrost. Tako se da ujeti največjo končno hitrost. Pozor : iz tega grafa se odčita moč in sila, ki ustrezata moči in sili na cesto, ki ju daje avtomobil. Za 200km/h je to cca. 95KM. Potrebno je še upoštevati izgube v transmisiji 15% - 25 %, zato mora imeti avto kakih 110KM+4*5KM=130KM. Pri 120km/h ima vsako kolo okoli 2kW kotalnega upora, pri 200km/h okoli 4kW. Na to ne pozabit. Mogoče sem hotel še kaj povedati, pa mi ne pade sedaj na misel.
Mogoče še to : predstavljajte si tole zgodbo - iz vodnjaka je potrebno dvigovati vedro z vodo. Iz prvega vodnjaka mladenič vrti rdeče vreteno s polmerom r z neko vrtilno frekvenco ni. Pri tem uporablja silo F in navor M na vreteno. Pa mu ata zamenja vreteno z modrim, ki ima dvakrat večji premer. Mladenič je še vedno enako močan in pritiska z isto silo. Če želi ohraniti hitrost dviganja vedra in s tem ohraniti tudi moč, potrebno za dvigovanje vedra, mora vrteti z dvakrat manjšo vrtilno frekvenco. Ker je sila pritiskanja na ročaj enaka, deluje na vreteno z dvakrat večjim navorom, ker je polmer dvakrat večji. Rdeče vreteno je analogija za bencinarja, modro vreteno pa za dizla. Torej za isto moč, če imamo manj vrtljajev, imamo večji navor.
V tabelah se da spreminjati prestave, dimenzije koles in še kaj ter vse opazovati na grafih. Spreminjajte moč in vstavljajte poljubne avtomobile. Naj se zabava prične