Mechanika według “Kosy”. Po co mi moc i moment obrotowy?

W najprostszym ujęciu – moment obrotowy to siła, z jaką silnik jest w stanie obrócić wałem korbowym. Moc to maksymalna siła, jaką jest w stanie wygenerować silnik podczas pracy. Zagadnienie omówimy na przykładzie silnika czterosuwowego, czterocylindrowego. Inaczej wygląda to w przypadku singla, inaczej V2, a dwusuwy to jeszcze inny rozdział. Single (czterosuwowe) przeważnie mają charakterystykę jak w traktorze – duży moment obrotowy, względnie mało mocy. Podobnie jest z jednostkami V2. Ale jeżeli chodzi o silniki rzędowe czterocylindrowe, jakimi głównie zajmuję się w mojej pracy zawodowej, to wszystko wygląda nieco inaczej. Wiadomo, że im większa pojemność, tym większy moment obrotowy. Prostym tego przykładem są konstrukcje silników samochodowych czy motocyklowych sprzed 40-50 lat. Duże pojemności, 2-3 litry, jednostki dysponowały względnie niedużą mocą 70-80 KM, ale dało się nimi sprawnie jeździć, bo miały duże momenty obrotowe. Dzisiaj nikogo nie dziwią jednostki litrowe z mocą 200 KM i dobrze ponad 100 Nm. Dobrym przykładem tego, do czego potrzebny w silniku jest moment obrotowy a do czego moc, jest porównanie jednostek napędowych Fiata 126p i Hondy CBR 600. Pojemności podobne, Fiatek z trudem osiąga 110 km/h, podczas gdy Honda co najmniej dwa razy tyle. Ale „maluchem” zaciągniesz przyczepę campingową na wakacje do Bułgarii, a „Cebrą” – nie. Przy okazji – znacznie łatwiej jest wygenerować moment obrotowy niż moc. Bo budujesz go pojemnością skokową silnika i obracającą się masą. Przy tej samej dynamice spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, gdy ciśnienie gazów popycha tłok, to w nowoczesnym silniku, w którym praktycznie nie ma koła zamachowego (to od alternatora praktycznie nic nie waży) wał korbowy od razu nabiera dużej prędkości obrotowej. W silnikach starego typu, z dużą masą koła zamachowego, to jego moment bezwładności jest znacznie większy i generuje więcej momentu siły. Ta zmiana konstrukcyjna wynika też trochę z tego, że kiedyś nie było odpowiednich materiałów do tego, żeby pójść w silniki wysokoobrotowe, gdzie to właśnie obroty generują moc.

Dlaczego był taki moment w historii wyścigów MotoGP, że Ducati na prostej osiągały 20 km/h więcej niż konkurencja? Bo miały półtora tysiąca obrotów więcej. W konwencjonalnym silniku czterosuwowym liczby obrotów nie ogranicza ani elektronika, ani materiały – ogranicza jeden drobny element, który nazywa się sprężyną zaworową. Ona po prostu nie potrafi szybciej pracować, a rozrząd desmodromiczny w Ducati – tak. Sytuacja zmieniła się kilka lat temu, kiedy zaczęto stosować bardzo lekkie zawory tytanowe, dzięki którym silniki mogą kręcić się szybciej. W BMW S 1000 RR na konwencjonalnych stalowych zaworach silnik kręcił się do ok. 12 000 obr./min i szybciej nie dawał rady – właśnie ze względu na duże momenty bezwładności.

Duży moment obrotowy jest przydatny w codziennej eksploatacji motocykla, w maszynach miejskich, turystycznych, turystycznych enduro, bo wtedy zdecydowanie łatwiej nam się jedzie, bez konieczności wkręcania silnika na wysokie obroty. To bardzo ładnie widać na wykresach z hamowni, gdy przebieg krzywej momentu jest liniowy. Generalnie najważniejsze w charakterystyce dobrze zestrojonego silnika jest płynne przejście z momentu w moc. Współczesne jednostki sterujące są na tyle inteligentne, że potrafią znaleźć ten moment i odpowiednio dostosować parametry pracy.

OSIĄGI SILNIKÓW MOŻEMY PODNOSIĆ RÓŻNYMI METODAMI. STROJENIE ELEKTRONIKI I CAMTIMING TO TYLKO JEDNE Z NICH.

Elektronika ponad wszystko?

Dzisiaj w każdym nowoczesnym silniku jesteśmy w stanie zmienić jego charakterystykę np. strojeniem (ale nie tylko). Nie można jednak dać się złapać w pułapkę “przyjedź do mnie na hamownię, wystroję ci silnik, będzie miał 20 KM, czy 20 Nm więcej”. To jest bzdura. Nowoczesne zespoły napędowe są już tak zaawansowane (np. w BMW S czy M 1000 RR), że mają po cztery sondy lambda i tam, tak naprawdę, niewiele możemy już zmienić samym strojeniem. W rzeczywistości, możemy co najwyżej pozbyć się całej „ekologii”, która bardzo mocno wpływa na osiągane przez silniki moce. Czemu tak jest? Żeby silnik spełniał najnowsze normy emisji spalin, musi bardzo szybko nagrzać katalizator. Dlatego zaraz po uruchomieniu, pracują na bardzo bogatej mieszance i zachowują się w tej fazie bardzo dziwnie. Następnie, gdy silnik pracuje w zakresie obrotów “moment obrotowy”, a jeszcze nie “moc”, czyli w dolnym i średnim zakresie obrotów, z którymi przeważnie jeździmy po mieście – wtedy mieszanka jest bardzo uboga, żeby spełniać te normy czystości spalin. W momencie, gdy wyjedziemy na autostradę, odwiniemy manetkę, żeby polecieć pełnym ogniem, to silnik wchodzi w wysoki zakres obrotów, generuje maksymalną moc i wtedy jest mocno przelany (dostarczana jest bogata mieszanka). To celowy, fabryczny zabieg, żeby podzespoły (tłoki lub zawory) nie wypaliły się przy dłuższej pracy na ubogiej mieszance. Dlatego często trafiają do mnie motocykle, których właściciele narzekają na niezbyt płynną pracę jednostki. W dolnym zakresie obrotów silnik szarpie i nie ma płynnego przejścia w zakres wysoki. To właśnie jest skutek tego dziwnego fabrycznego zestrojenia, wymuszonego przez “ekologię”.

Różnica mocy i momentu obrotowego silnika przed i po camtimingu jest bardzo wyraźna

Hamownia nie kłamie – straty mocy na kole w stosunku do silnika są spore.

W sporcie moment jest niepotrzebny…

Z mojego ponad dwudziestoletniego doświadczenia w pracy z silnikami wynika, że bardzo trudne jest jednoczesne podniesienie mocy i momentu jednostki. Jeżeli robię silnik do motorsportu, to albo podnoszę znacznie moment obrotowy, kosztem 2-3 KM, albo podnoszę o 12 KM camtimingiem, ale zyskamy raptem 1-2 Nm. Tu nie ma złotego środka. Trzeba tylko pamiętać, że do motorsportu w zasadzie nie potrzebujemy momentu obrotowego. Silniki pracują w zakresie 10-14 tysięcy obr./min i jedziemy wtedy tylko z mocy. Jeżeli obroty silnika spadają poniżej 10 tys. obr./min, to znaczy, że mamy źle dobrane przełożenia i musimy je zmienić. Najlepszym tego przykładem jest silnik najnowszej Hondy CBR 1000 RR, który praktycznie w ogóle nie dysponuje momentem obrotowym. Poniżej 10 000 obr./min ten silnik zachowuje się tak, jakby miał 40 KM i 20 Nm momentu. Tu po prostu trzeba przestawić się z myśleniem i kręcić maszynę tak, jakbyśmy mieli do czynienia z “sześćsetką”.

Z drugiej strony – kręcenie silnika powyżej maksymalnej mocy po prostu nie ma sensu. Owszem obroty rosną, ale poza hałasem – nic się nie dzieje. Oto prosty przykład. Gdy mam już przygotowany motocykl np. do wyścigu Le Mans 24, mam już go zhamowanego, to ustawiam całą elektronikę i shiftlight (takie lampki na wyświetlaczu, które widzi zawodnik), który informuje o tym, czy jedziesz w odpowiednim zakresie obrotów i czy należy zmienić bieg. Zawodnicy nowej generacji często nie czują, kiedy silnik ciągnie, a kiedy nie. Nie ma znaczenia, że limiter jest ustawiony na powiedzmy 14 800 obr./min, kiedy już przy 13 800 obr./min spada moc. Zatem kręcenie go powyżej tej wartości to już tylko niepotrzebne zużywanie silnika i marnowanie paliwa. Z telemetrii już wiem, ile czasu zajmuje zmiana biegu, więc shiftlight ustawiam tak, żeby obroty nie spadły poniżej piku mocy i momentu, żebyśmy cały czas pracowali w tym w sumie bardzo wąskim zakresie obrotów. Nieco starsi zawodnicy, którzy jeździli jeszcze na dwusuwach, doskonale potrafią wyczuć ten moment, bo tam charakterystyki krzywych nie są tak wypłaszczone i pik moc/moment jest bardzo wyraźny.

WSPÓŁCZENE SILNIKI WYCZYNOWE PRAKTYCZNIE NIE DYSPONUJĄ MOMENTEM OBROTOWYM, A JEDYNIE MOCĄ, CZERPANĄ Z WYSOKICH OBROTÓW.

Sprytny wałek rozrządu

Konstruktorzy silników potrafili jednak poradzić sobie z problemem moc-moment, stosując zmienne fazy rozrządu. Po prostu, podczas jazdy w zakresie niskich i średnich obrotów, wałek rozrządu pracuje na krzywkach o innej charakterystyce (nastawionej na moment obrotowy), a przy wysokich na innej (nastawionej na moc). Tu doskonałym przykładem mogą być rozwiązania stosowane w BMW S 1000 RR i M 1000RR, po roku 1919, czyli tzw. K67 i K 66, gdzie właśnie zastosowano shiftcam (stosowany już wcześniej w bokserach). Aż dziwne, że BMW wymyśliło coś tak prostego, bo zwykle umieją bardzo skomplikować życie mechanikowi. Oczywiście, to tylko pozornie tak prosto wygląda, bo w rzeczywistości to jednostka sterująca decyduje o przejściu z jednej krzywki na drugą, podpierając się danym z wielu czujników – np. obciążenia silnika czy kąta otwarcia przepustnicy. Dzięki temu mamy takie przyjemne uczucie, że gdy odkręcamy obroty od 5000 do samego końca, to przyrost mocy jest bardzo liniowy, bez żadnych zadławień. Mówimy tu oczywiście o ustawieniach fabrycznych, bo potem w motosporcie silniki stroi się już indywidualnie, często nawet pod specyfikę danego toru i rodzaj wyścigu. Elektroniką można w znacznym stopniu zmienić charakterystykę jednostki napędowej, ale to nie jest jedyna droga do poprawy jej osiągów. Są też metody czysto mechaniczne, jak np. porting głowicy, czy wyrównoważenie układu tłokowo-korbowego… Ale o tym porozmawiamy już następnym razem. 

Tekst po raz pierwszy ukazał się w drukowanym wydaniu magazynu „Świat Motocykli” [09-10/2024]

Zdjęcia: Filip Miętka, autor