Co to jest moc i moment obrotowy

Motoryzacja nieodzownie związana jest z silnikami spalinowymi napędzającymi samochody. Po latach doświadczeń, jako najbardziej odpowiednie, rynek zdominowały czterosuwowe tłokowe silniki spalinowe. Podstawowe cechy działania silnika są powszechnie znane i dzięki popularności motoryzacji większość kierowców je zna. Powszechna wiedza o silnikach sprawia, że wybierając samochód, prawie każdy zwraca uwagę na pojemność skokową i moc silnika oraz zużycie paliwa. Bardziej dociekliwi zainteresują się również wartością maksymalnego momentu obrotowego oraz jego przebiegiem. Moment obrotowy jest podstawowym parametrem, który charakteryzuje osiągi silnika spalinowego. Konstruując silniki dąży się do tego aby uzyskać jak najwyższy moment obrotowy w jak najszerszym zakresie prędkości obrotowej silnika. Natomiast moc silnika wynika z połączenia tych dwóch parametrów: momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Na hamowniach silnikowych, w trakcie badań silników, mierzony jest moment obrotowy oraz prędkość obrotowa, natomiast moc jest obliczana z tych dwóch parametrów.

Co to jest moment obrotowy?

Moment obrotowy to z punktu widzenia fizyki to samo co siła, z tą różnicą, że jest to siła w ruchu obrotowym. Rysunek poniżej przedstawia czym w rzeczywistości jest moment obrotowy. Na ramieniu o długości 1 metra, który połączony jest z wałem korbowym silnika, znajduje się ciężarek o masie 10 kg. Aby wał silnika mógł wykonywać ruch obrotowy musi osiągnąć moment obrotowy wynoszący 98.1 Nm (niutonometra). Wynika to z prostych obliczeń, które przedstawione są poniżej.

Masę ciężarka w kilogramach zamieniamy na ciężar (siłę) wyrażony w niutonach (N). W tym celu musimy ją pomnożyć razy wartość przyspieszenia ziemskiego „g”, które wynosi 9.81 metra na sekundę do kwadratu (m/s²).

10 kg × 9.81 m/s² = 98.1 kg × m/s²

Według zasad fizyki jeden kilogram razy metr na sekundę do kwadratu wynosi dokładnie 1 niuton (N), czyli:

98.1 kg × m/s² = 98.1 N

Teraz, gdy wiemy jaka siła działa na ramię, wystarczy pomnożyć ją razy długość ramienia (która, w naszym przypadku, wynosi 1 metr):

98.1 N × 1 m = 98.1 N × m

A niuton razy metr to nic innego jak niutonometr (Nm), czyli:

98.1 N × m = 98.1 Nm

W pewnym przybliżeniu można powiedzieć, że jeżeli silnik dysponuje maksymalnym momentem obrotowym wynoszącym 200 Nm przy 2500 obr/min, to udźwignie on na metrowym ramieniu około 20 kg.

Co to jest moc silnika?

Jak wspomniano wcześniej moc silnika wynika z momentu obrotowego oraz prędkości obrotowej silnika. Innymi słowy, moc oznacza ile energii możemy uzyskać w jednostce czasu. Czyli im większy moment obrotowy przy wysokich obrotach, tym większą moc silnika uzyskamy. Matematycznie moc to iloczyn momentu obrotowego i mocy silnika. Jednak aby obliczenia były poprawne należy wykonać je w prawidłowych jednostkach. Prędkość obrotowa wyrażona musi być w radianach na sekundę, natomiast niutonometry są prawidłową jednostką momentu obrotowego. W celu uproszczenia obliczeń, zamiast zamieniać jednostki, lepiej wprowadzić stałą wartość, która wynika ze zmiany jednostek. We wszystkich obliczeniach jest taka sama i wynosi 9549.3. Jednostką mocy są kilowaty (kW). W dalszej części artykułu opisany jest sposób zmiany jednostki mocy na bardziej popularne konie mechaniczne. Do wykonania przykładowych obliczeń posłuży charakterystyka silnika 3.0 TDI z Audi Q7. Silnik ten osiąga maksymalny moment obrotowy 500 Nm pomiędzy 1500 i 3000 obr/min oraz moc maksymalną 176 kW przy 4000 obr/min. Obliczenia mocy wykonano dla kilku prędkości obrotowych, według wzoru:

Przykładowe obliczenia:
Prędkość obrotowa 1500 obr/min, moment obrotowy 500 Nm

Ten sam moment obrotowy, prędkość obrotowa silnika zwiększona do 3000 obr/min

Punk mocy maksymalnej, czyli prędkość obrotowa 4000 obr/min i moment obrotowy 420 Nm

Kilowaty i konie mechaniczne

Podstawową jednostką przyjętą w fizyce do określania mocy jest Wat. W maszynach o wyższej mocy waty dzielone są przez tysiąc, otrzymując Kilowaty (kW). W technice motoryzacyjnej przyjęło się jednak operować koniem mechanicznym jako jednostką mocy. Niestety z końmi mechanicznymi obecnie jest spore zamieszanie. Wynika to z dwóch różnych jednostek, które nazywają się końmi mechanicznymi. Pierwsza z nich to tzw. mechaniczny koń mechaniczny, który jest jednostką brytyjską, oznaczony jako HP. Druga jednostka to metryczny koń mechaniczny, który przyjęto w Niemczech (oznaczenie PS), we Włoszech (oznaczenie CV), Francji i Japonii. W Polsce jako koń mechaniczny przyjęło się używać metrycznego konia mechanicznego (oznaczenie KM). Różnica pomiędzy tymi dwiema jednostkami jest niewielka i wynosi 1.4%. Przykładem zamieszania z jednostkami było np. Subaru Impreza GT, jeszcze w latach 90-tych. Niektóre źródła podawały, że samochód dysponował mocą 218, a inne 221 koni mechanicznych. Obecnie głównie stosuje się metryczne konie mechaniczne, czyli te które podają wyższą wartość.

Przykładowe obliczenia dla silnika Audi Q7:
Metryczne konie mechaniczne:
78.5 kW / 0.7355 = 106.8 KM
157.1 kW / 0.7355 = 213.6 KM
175.9 kW / 0.7355 = 239.2 KM
Mechaniczne konie mechaniczne:
78.5 kW / 0.7457 = 105.3 HP
157.1 kW / 0.7457= 210.6 HP
175.9 kW / 0.7457= 235.9 HP

Zwróćmy uwagę, że Audi jako moc maksymalną swego silnika podaje wartość 240 KM, czyli to co najładniej brzmi marketingowo.

Praktyczne znaczenie mocy i momentu obrotowego

Jak wyjaśniono wcześniej, moment obrotowy jest równoznaczny z siłą jaką możemy uzyskać z silnika. W praktycznym znaczeniu siła odpowiedzialna jest za przyspieszenie oraz uciąg samochodu. Oczywiście każdy wie, że samochód z wyższą mocą lepiej przyspiesza. Wynika to jednak z faktu, że ma on wysoki moment obrotowy przy wysokich prędkościach obrotowych, czyli nawet przy wysokich obrotach ma siłę żeby rozpędzać samochód. Moc natomiast odpowiedzialna jest głównie za prędkość maksymalną. Należy tu jednak zauważyć, że prędkość maksymalna samochodu jest mocno zależna od przełożeń układu napędowego. Jeżeli zwieszona zostanie moc maksymalna samochodu, ale osiągana pozostanie przy tej samej prędkości obrotowej silnika to prędkość maksymalna samochodu pozostanie bez zmian. Mało tego, jadąc z prędkością maksymalną, silnik nie będzie osiągał maksymalnej mocy. Aby zwiększyć prędkość konieczna jest zmiana przełożeń w układzie napędowym.

Moment obrotowy w silniku diesla i benzynowym

To waśnie różnica w przebiegu momentu obrotowego w silniku benzynowym i dieslu jest odpowiedzialna za różne wrażenia z jazdy. Jeżeli nawet w samochodzie spotykany jest silnik benzynowy i diesel o tej samej mocy np. 150 KM, samochody te inaczej przyspieszają. W silniku diesla moment obrotowy jest bardzo wysoki, ale w wąskim zakresie prędkości obrotowych. Dlatego jadąc, czujemy mocne przyspieszenia, które jednak szybko się kończy i musimy sięgnąć po kolejny bieg. W silniku benzynowym moment obrotowy jest niższy, ale dostępny również przy wyższych obrotach, np. powyżej 4000 obr/min. Dzięki temu silnik nie przyspiesza tak gwałtownie jak diesel, możemy jednak dłużej przyspieszać na poszczególnych biegach.