Dariusz DoboszKult mocy
Na skróty:
Kult mocy
Słowo „moc” ma ogromną siłę przebicia i rozpala wyobraźnię. Kult mocy jest powszechny, a producenci pojazdów mechanicznych cały czas starają się, by w technicznym wyścigu zbrojeń przebijać rywali właśnie mocą. To ten parametr w powszechnym mniemaniu jest miarą sukcesu, pozwala wyłonić lepszych i gorszych a także stanowi dla wielu ostateczną ocenę działań konstruktorów.
Tymczasem takie podejście trzeba uznać za prawdziwe kuriozum. Bo moc silnika stanowi tak naprawdę tylko pochodną momentu obrotowego i jest jedynie wyliczaną wartością teoretyczną. W podstawowym zakresie o dynamice jazdy decyduje właśnie moment obrotowy, a pewien dodatkowy wpływ mają na nią opory mechaniczne, opór aerodynamiczny i przełożenia przekładni w układzie napędowym. O walorach użytkowych w pewnym stopniu decyduje też przebieg momentu obrotowego, czyli rozkład wartości momentu w zależności od obrotów wału korbowego. Taką charakterystykę silnika, uwzględniającą także rozkład wartości mocy maksymalnej w zależności od obrotów, można przedstawić w formie graficznej.
Zdjęcie: Silniki z równolegle pracującymi tłokami osiągają relatywnie wysokie wartości momentu obrotowego już od niskich obrotów.
Silnikowa teoria
Czym zatem są moment obrotowy i moc maksymalna? By to wyjaśnić, trzeba sprowadzić techniczne rozważania do najprostszego poziomu.
Moment obrotowy to wynik działania siły na pewnym ramieniu. W silniku taka siła powstaje w wyniku wytworzenia ponad tłokiem ciśnienia, będącego efektem spalania mieszanki paliwowo-powietrznej podczas suwu pracy. Ramieniem, na którym działa ta siła, jest odległość między osią czopu wykorbienia a osią obrotu wału korbowego.
Moment obrotowy to praca, jaką wykonał silnik. By poznać wartość mocy, trzeba podzielić wartość pracy przez czas, w jakim została wykonana. Moc silnika można zatem wyliczyć, znając wartość momentu obrotowego i prędkość kątową albo częstotliwość obrotów, przy jakiej został on zmierzony. Teoretyczne wyliczenia wartości momentu obrotowego i mocy są w zasadzie niemożliwe. O ile bowiem ramię na jakim działa siła jest wartością stałą, to wartość siły działającej na tłok zmienia się w zależności od obrotów. Dlatego pomiary prowadzone są w sposób praktyczny na hamowni, gdzie silnik poddawany jest obciążeniom i musi pokonywać zadawane mu opory.
Efektem takich badań jest charakterystyka silnika, pokazująca w formie wykresów wartości momentu obrotowego i mocy przy konkretnych obrotach silnika. Patrząc na graficzne charakterystyki, łatwo zorientujemy się, że w miarę przyrostu obrotów wartości momentu obrotowego i mocy zwiększają się, ale tylko w pewnym zakresie. Potem „słabną” albo osiągają stały poziom, a w końcu nawet zmniejszają się. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem obrotów (w praktyce – gdy coraz większe jest uchylenie przepustnicy przez kierowcę), siła działająca na tłok najpierw przestaje rosnąć a potem maleje. Odpowiedzialne są za to między innymi opory przepływu w układzie ssącym i wydechowym, rosnące niestety w funkcji kwadratowej. Jeśli przy 1000 obr./min straty przepływu wynoszą 1%, to przy 6000 obr./min aż 36%. Trzeba też zauważyć, że wraz ze wzrostem obrotów rośnie liczba cykli pracy silnika w tej samej jednostce czasu. Zmniejszają się zatem naciski jednostkowe na tłok.
Zdjęcie: Kanały dolotowe: gdy są proste i gładkie, zapewniają małe opory przepływu, co sprzyja poprawie dynamiki silnika.
Silnikowa praktyka
Gdy silnik osiąga maksymalną wartość momentu obrotowego, oznacza to, że ma najwyższą zdolność pokonywania oporów. Z praktycznego punktu widzenia najlepiej, by maksymalna albo bliska maksymalnej wartość momentu osiągana była w jak najszerszym zakresie obrotów. Im jest on szerszy, tym bardziej elastyczny jest silnik.
Konstruktorzy od wielu lat dążą do tego, by w jak najszerszym zakresie obrotów można było sprawnie przyśpieszać bez konieczności redukowania przełożeń. Sprzyja to bowiem nie tylko komfortowi jazdy, ale również bezpieczeństwu. Otwarcie przepustnicy we współczesnych jednośladach, nawet tych najbardziej dynamicznych, nie wiąże się już z wyczekiwaniem i gwałtownym przyśpieszeniem po osiągnięciu pewnej granicy obrotów. Odbywa się to bardziej płynnie i podlega precyzyjnej kontroli kierowcy poprzez pokrętło „gazu”.
By osiągnąć bardziej korzystne charakterystyki momentów obrotowych, konstruktorzy musieli wykonać ogromną pracę nad nowymi rozwiązaniami. Służyły one też podniesieniu wartości momentów obrotowych, co w konsekwencji prowadziło do wzrostu mocy maksymalnych.
Rysunek: Kanały dolotowe: gdy są proste i gładkie, zapewniają małe opory przepływu, co sprzyja poprawie dynamiki silnika.
Prostowanie wykresów
Pogoń za coraz wyższymi mocami silników to w istocie pogoń za wyższymi momentami obrotowymi. Ten cel realizowano na różne sposoby i wielotorowo.
Przede wszystkim chciano uczynić silniki bardziej elastycznymi, poszerzając zakres obrotów użytkowych do poziomu nieznanego wcześniej. Ten kierunek zaznaczył się wyraźnie już na początku lat dziewięćdziesiątych. Nowe charakterystyki, preferujące bardziej „płaski” przebieg wykresów momentu obrotowego, sprzyjały obniżaniu zużycia paliwa i redukowaniu ilości szkodliwych substancji w spalinach. Normy były nieubłagane. Nawet silniki typowo sportowych motocykli zaczęły zyskiwać na elastyczności, bo obok układów zapewniających wysoką szybkobieżność (rozrząd DOHC i 4 zawory na cylinder) zaczęto wprowadzać rozwiązania zdecydowanie poprawiające stopień napełniania cylindra.
Ilość świeżej mieszanki, która zostanie zassana do cylindra do momentu zamknięcia się zaworów i rozpoczęcia procesu sprężania, ma zasadniczy wpływ na wielkość siły, która powstanie podczas wybuchu mieszanki w suwie pracy i która popchnie tłok. Napełnianie jest najgorsze przy niskich obrotach. Poprawia się, gdy się podnoszą, a najlepsze jest przy obrotach maksymalnego momentu obrotowego. Należało zatem wymyślić rozwiązania, które mogłyby stanowić przeciwwagę dla układów sprzyjających szybkobieżności silnika, której jednak obniżają moment obrotowy w zakresie średnich i niskich obrotów i wpływają niekorzystne na czystość spalin. Chodzi głównie o dłuższe czasy otwarcia zaworów i większy kąt ich współotwarcia, sprzyjający chłodzeniu denka tłoka i zaworów. To tak, jakby próbować łączyć wodę z ogniem.
Zdjęcie: Dodatkowy zawór w układzie wydechowym pozwala zmniejszać średnicę przelotu w wydechu przy niskich i średnich obrotach, by zwiększyć moment obrotowy.
Rewia pomysłów
Na początku zdecydowano się wydłużyć kanał ssący na odcinku od zaworu ssącego do filtra powietrza. Zaczęto też bardziej precyzyjnie dobierać średnicę dolotu i przykładać wagę do jego precyzyjnego wykończenia dla zmniejszenia oporów przepływu. Powietrze w układzie ssącym osiąga prędkość od 350 do 500 km/h, spasowanie elementów i gładkość ścianek ma zatem istotne znaczenie.
Z czasem wymyślono coś, co można porównać z kolektorem dolotowym o zmiennej długości, stosowanym w samochodach. Wprowadzono do kanału ssącego drugą, sterowaną elektrycznie i kontrolowaną przez komputer przepustnicę klapkową, która samoczynnie zawęża lub poszerza średnicę kanału. Przy wysokich obrotach zostaje otwarta, przy niskich jest domykana.
Zmienność jest zresztą mile widziana w tworzeniu najbardziej korzystnego przebiegu momentu obrotowego. Dlatego specjalne zawory zaczęły być powszechnie stosowane także w układach wydechowych. W tym przypadku również chodzi o zmianę średnicy kanału, w zależności od obrotów. Gdy są wysokie, przelot trzeba w pełni udrożnić. Gdy spadają, światło kanału trzeba zawężać. Wówczas wartość momentu obrotowego wzrasta.
Do tego doszła zmienność zapłonu w funkcji obrotów, czyli dobór najlepszego momentu wytworzenia iskry zapłonowej. Do sterowania tym wszystkim trzeba było „zatrudnić” mikroprocesory, prostsze układy elektroniczne nie dają sobie z tym rady. Dla tworzenia korzystniejszych charakterystyk momentu obrotowego sięgnięto nawet po zmienne fazy rozrządu, ale to rozwiązanie nie jest jeszcze tak powszechne, jak w samochodach.
Zdjęcie: Dwie przepustnice w kanale ssącym: druga pozwala zmieniać średnicę przelotu i poprawiać przebieg momentu obrotowego.
Na dół marsz!
Który silnik lepiej „ciągnie z dołu” a który go nie ma? Wiadomo, że dwucylindrowce są bardziej elastyczne od czterocylindrowców o tej samej pojemności skokowej, że silnik o dużej pojemności jest bardziej elastyczny od silnika o mniejszej pojemności, choć mają tę samą moc. Wiadomo też, że „widlaki” mają „lepszy dół” niż rzędowce tej samej klasy. Skąd te różnice ? Po prostu, im większy skok tłoków i pojemność skokowa, tym większy moment obrotowy generuje silnik przy niskich i średnich obrotach, czyli w zakresach najczęściej używanych podczas codziennej jazdy.
To, jak duży jest moment obrotowy i przy jakich obrotach będzie osiągany, zależy także od samej konstrukcji jednostki napędowej. Prawdziwymi mistrzami elastyczności są na przykład silniki dolnozaworowe, dawno zapomniane już w motocyklach, a wciąż stosowane choćby w kosiarkach czy agregatach prądotwórczych. Choć mają wiele wad (małe moce jednostkowe, wysokie zużycie paliwa), lecz może prosta budowa i korzystna charakterystyka skuszą konstruktorów, by znaleźć receptę na ich słabości i je reaktywować. Trzeba bowiem zadać sobie pytanie: czego tak naprawdę powinniśmy oczekiwać od silnika w codziennym użytkowaniu?
Producenci epatują wielkimi liczbami, gdy chodzi o moc maksymalną, rozbudzając emocje fanów dwóch kółek. Podają w danych technicznych to, co najlepiej wygląda na pierwszy rzut oka – moc na wale silnika. Lecz już w tym miejscu potrzebna jest chłodna refleksja, bo 160 KM na wale korbowym to zaledwie 140-143 KM na tylnym kole motocykla. Straty mechaniczne w przekładniach są nieubłagane.
Zastanowienia wymaga też to, jakiej mocy faktycznie potrzebujemy w codziennej eksploatacji. Okazuje się, że dla utrzymania stałej prędkości 50 km/h nawet ciężkim motocyklem wystarczy ledwie kilka koni mechanicznych. Badania pokazują, że prowadzący 100-konny motocykl wykorzystuje w jeździe miejskiej i podmiejskiej zaledwie 50-60 KM. Pełne wykorzystanie dynamiki 180- czy 200-konnej maszyny może być jedynie krótkotrwałe i w warunkach toru wyścigowego albo niemieckiej autostrady. Zacznijmy zatem doceniać moment obrotowy, który w codziennej jeździe jest najlepszym przyjacielem kierowcy jednośladu.
Zdjęcie: Zmienne fazy rozrządu to jeszcze jeden sposób na podwyższanie momentu w dolnym zakresie obrotów silnika.
