Jak to funguje: točivý moment versus výkon (teorie)

Ne každý tuší, co znamenají veličiny jako točivý (kroutící) moment a výkon motoru, jaký je mezi nimi vztah a jak vlastně popisují charakteristiku motoru. Pro ně je tu stručné vysvětlení, které leckteré záhady motoru odhalí.
Jak to funguje: točivý moment versus výkon (teorie)

Hned na začátku uvádím, že jakožto člověk především humanitního vzdělání mne fyzika vždy nechávala chladným, takže se omlouvám za veškeré prohřešky a nepřesnosti, které v tomto článku mnozí čtenáři v oboru vzdělanější jistě najdou. Pokud máte k článku co říct či doplnit, využijte diskusního fóra.

Od točivého momentu k výkonu

Představte si, že na zemi leží závaží o hmotnosti 1 kg. Pokud byste jej chtěli zvednout do výšky jednoho metru, museli byste vyvinout určitou sílu, zde konkrétně necelých 10 Newtonů, N (přesněji 9,81 N). Pokud bude na těleso o hmotnosti 1 kg působit síla o velikosti 1 N, udělí mu zrychlení jednoho metru za sekundu. Pokud zvedáte těleso o hmotnosti 1 kg, musíte překonat gravitační zrychlení, které činí právě 9,81 metru za sekundu; síla nutná k překonání bude tedy necelých 10 N.

Chcete ušetřit s nákupem ojetého auta? Nekupujte si diesel!

Chcete ušetřit s nákupem ojetého auta? Nekupujte si diesel!

Současně s tím byste vykonali určitou práci, která je součinem délky a síly, tedy 10 Nm, resp. 10 Joulů (J). Pokud do vzorce doplníte i faktor času, získáte výkon. Tato veličina je definovaná jako práce v určitém časovém horizontu. Pokud by vám zvednutí kilogramového tělesa trvalo sekundu, vykonali byste práci 10 Nm za sekundu, tedy 10 Wattů (W). Pokud by to ale trvalo deset sekund, byl by váš výkon nižší, 1 Watt (10 Nm/10 s). Pokud by to trvalo desetinu sekundy, měli byste výkon 100 W. Čím rychleji těleso zvednete, tím vyšší máte výkon a naopak.

Točivý moment je tedy síla (moment síly), kterou je nutné vykonat pro pohyb po závaží okolo nějaké osy. Bude-li mít toto závaží hmotnost 1 kg a vzdálenost od osy bude jeden metr, bude nutné vyvinout moment síly 10 Nm, abyste závaží udrželi a vyšší, abyste jím začali otáčet. Čím rychleji se bude závaží otáčet, tím větší bude výkon. Pro získání vyššího výkonu můžete buď zvýšit otáčky, nebo sílu (tu vytváří spalování směsi palivo-vzduch), která závažím otáčí.

A jak vypočítat výkon tohoto „motoru“? Je to prosté:

výkon (W) = točivý moment * otáčky * PI/30

Pokud chcete získat výkon v kilowattech (kW), musíte výslednou hodnotu ještě podělit tisícem. Vzhledem k tomu, že počítat s hodnotu PI/30/1000 je zdlouhavé, stačí, když podělíte součin momentu a otáček koeficientem 9550, který je jen jiným vyjádřením výše uvedeného.

Otáčky jsou důležité

Dejme tomu, že v technických parametrech motoru najdete následující hodnoty: 3.0 V6, 150 kW při 5000 ot., 320 Nm při 3000 ot. Pokud aplikujete výše uvedený vztah na maximální výkon, zjistíte, že v 5000 otáčkách má točivý moment 286 Nm. Rovněž můžete zjistit, že výkon motoru v 3000 ot. činí 100 kW. Může se tedy zdát zbytečné uvádět točivý moment, když je to prakticky jen jiné vyjádření výkonu. Důvodem, proč se uvádí jak nejvyšší výkon, tak nejvyšší točivý moment, je lepší popsání charakteristiky motoru: maximální výkon uvádí, do jakých otáček má smysl motor točit, maximální točivý moment pak uvádí, v jakých otáčkách je motor nejefektivnější, kde má nejvíce síly.  

Velkou chybou, které se mnozí dopouštějí, je uvádění hodnot maximálního výkonu a točivého momentu bez otáček, v nichž jich dosahují. Bez nich totiž nemají tyto údaje patřičnou vypovídající hodnotu. Pokud někdo řekne, že má motor s výkonem 100 kW, může jít o motor 1.4 s výkonem 100 kW v 7000 ot., ale také dvoulitr s tímtéž výkonem v 5500 otáčkách. Pokaždé jsou to ale rozdílné motory s jinou charakteristikou, pružností apod. První motor má evidentně nižší točivý moment, protože stejného výkonu dosahuje jen s použitím vyšších otáček, naopak dvoulitr se pro stejnou dynamiku nemusí tolik vytáčet. A je nasnadě, že styl jízdy bude s oběma motory odlišný.

Nafta versus benzín

Velmi často se srovnávají přeplňované naftové motory s atmosférickými benzínovými motory. Přestože oba budou mít shodný maximální výkon např. 100 kW, jde o motory s diametrálně odlišnou charakteristikou. Přeplňovaný nafťák bude mít maximální točivý moment okolo 300 Nm dosahovaný v nízkých otáčkách, zatímco benzíňák třeba jen 170 Nm dosahovaný ve vysokých otáčkách. Motory se rovněž liší maximálními otáčkami, nafťák točí obvykle 4000 ot., kde dosahuje maximálního výkonu, benzíňák pak 6000 ot.

Z toho je patrné, že naftový motor má větší sílu, dokáže působit na virtuální závaží na kružnici větší silou. To, co benzínovému motoru chybí v síle, dohání otáčkami. Oba způsoby zvyšují výkon - to je patrné z předchozího textu. Aby oba motory dokázaly efektivně využít svých předností (nafťák větší síly a benzíňák většího rozsahu otáček), musí být jinak zpřevodované. Pokud budou mít auta s těmito motory shodné maximální rychlosti a stejný počet stupňů, bude mít automobil s naftovým motorem těžší převody. U naftového motoru se tak větší síla ztrácí v delších převodech, takže ve finále budou mít obě auta podobné dynamické vlastnosti.

Je tedy nadmíru patrné, že točivý moment jako údaj v podstatně nic neříká o autu samotném. Vždy záleží na průběhu křivky výkonu v závislosti na otáčkách, převodech, počtu stupňů apod. Pokud by nafťák měl stejné zpřevodování jako benzíňák, byl by sice svižnější, ale po dosažení určité rychlosti by mu benzíňák ujel, protože má větší rozsah otáček. Výhodou nízko položeného maximálního točivého momentu u nafťáku je lepší pružnost - auto lépe akceleruje z nízkých otáček. Řidič benzínového motoru musí dostat motor nejprve do otáček, aby měl k dispozici výkon, jaký má nafťák v nízkých otáčkách.

Potvrzeno, dražší nafta výkon nezvýší [Test naft 2013]

Potvrzeno, dražší nafta výkon nezvýší [Test naft 2013]

To je důvod, proč se řidiči naftového motoru bude zdát, že je při akceleraci více zatlačen do sedačky než řidič auta s benzínem. Zatímco u benzínového motoru se výkon zvyšuje plynule, u nafťáku zažije řidič náhlý „výbuch“ síly, která už ale s růstem otáček neroste tolik, jako u benzínového auta. Není tedy divu, když je řidič zvyklý na turbodiesel zklamán po přesednutí do stejně výkonného benzíňáku. Zdá se mu, že auto nejede.

Jak zvýšit výkon

Je tedy nadmíru patrné, jakými způsoby lze zvýšit výkon motoru. Buď přidáte otáčky, nebo zvýšíte sílu motoru. Obojí má stejný efekt na výsledný výkon a tedy pružnost či akceleraci. Zvýšení otáček je celkem jednoduché, stačí upravit konstrukci motoru tak, aby vyšší otáčky zvládla (např. přechod z dvouventilové techniky na techniku čtyřventilovou, úprava časová a zdvihu ventilů s roztoucími otáčkami apod.). Samzořejmě je nutné dbát na to, aby motoru s rostoucími otáčkami příliš neklesal točivý moment, protože by celá snaha přišla vniveč; když se zvednou otáčky a sníží točivý moment, výsledný výkon je stejný.

Sílu motoru lze zvyšovat dvěma způsoby: objemem a přeplňováním. První způsob je konstrukčně jednodušší, druhý náročnější. Výhoda přeplňování je v nižší spotřebě při stejném výkonu jako má motor s větším objemem, turbo bohužel nemá takovou životnost jako motor samotný, a navíc se rapidně snižuje necitlivých zacházením. Oba způsoby ale zvyšují výkon motoru ve všech otáčkách, čím vzroste nejen maximální výkon a tedy akcelerace vozu, ale současně se zvýší pružnost vozu. Silnější motor pak má delší převody, což zvyšuje maximální rychlost a snižuje spotřebu.

Každý způsob zvyšování výkonu (síla, otáčky) má své zastánce a oponenty. Někdo má rád zvuk vysokotáčkových motorů a rád jezdí za hranicí sedmi tisíc otáček, někdo zase preferuje „klidnou sílu“ a velký zátah v nízkých otáčkách.

Nejsou koně, jako koně

Výkon motorů se kromě kW uvádí také v koňských silách, koních. Mezi koňmi a kilowatty existuje velmi jednoduchý poměr: abyste získali výkon automobilu v koních, stačí jeho výkon v kW vynásobit koeficientem 1,36 a naopak. Pro získání výkonu v kW je nutné tímto číslem výkon v koních podělit. Např. 110kW motor má výkon 150 koní. Od uvádění koňského výkonu se zatím stále ještě neupustilo, běžně se uvádí výkon v obou jednotkách.

Těchto 20 motorů obejděte v bazaru širokým obloukem

Těchto 20 motorů obejděte v bazaru širokým obloukem

Určitě jste si ale všimli určité zvláštnosti: u amerických aut tento koeficient nesedí. Např. u konceptu Cadillac Sixteen výrobce uvádí výkon 1000 koní a současně 746 kW. Pokud ale podělíte 1000 koefecientem 1,36, dostanete výkon 735 kW. Američané totiž používají trochu jinou normu, takže jejich koně jsou „silnější“. Abyste z kW získali amerického koně, musíte dělit číslem 1,34; americký kůň (PS) = 1,015 koně evropského (HP).

Za vodou mají ale i další zvláštnosti; točivý moment se zde neudává v Nm, tedy Newtonech na metr, ale librách na stopu (ft-lbs). Je to dáno jinou soustavou jednotek, ovšem vyjadřuje to stále stejnou veličinu. Americký, ale i anglický točivý moment je „silnější“ než ten evropský, 1 ft-lsb = 1,356 Nm. Např. Cadillac Sixteen má točivý moment motoru 1000 lb-fts, a současně 1356 Nm.

Zdroj: HowStuffWorks.com, H-fans.cz, fyzikální tabulky, skripta fyziky pro střední školy

bazar

Chevrolet Spark 0,8
Rok výroby: 2006
Stav: 106 509 km
Cena: 36 000 Kč
Renault Thalia 1,2
Rok výroby: 2007
Stav: 156 314 km
Cena: 56 000 Kč
Nissan Juke 1,2
Rok výroby: 2017
Stav: nový vůz
Cena: 370 000 Kč
Renault Thalia 1,4
Rok výroby: 2006
Stav: 52 888 km
Cena: 60 000 Kč
Hyundai ix20 1,6
Rok výroby: 2011
Stav: 67 361 km
Cena: 216 000 Kč
Skoda Octavia 1,9
Rok výroby: 2005
Stav: 349 860 km
Cena: 73 000 Kč
Nabídka dalších vozů
Test Suzuki Ignis: Nejlevnější čtyřkolka boduje i tam, kde byste nečekali!

Suzuki Ignis

Naší recenzí tentokrát prošlo Suzuki Ignis - nejlevnější čtyřkolka na českém trhu.

13.  8.  2017 | Milan Lažanský | 33 příspěvků
Test ojetiny BMW Z4 (E85): Divoký design, ale také poctivá mechanika

Ojetina: BMW Z4

Příchod BMW Z4 způsobil po uhlazeném Z3 docela šok. Pod rozbouřenou karoserií se ale skrývá osvědčená technika. Na co si dát pozor?

12.  8.  2017 | David Rusol | 7 příspěvků
Test Alfy Romeo Stelvio: Italové naučili SUV jezdit! A kde je problém?

Alfa Romeo Stelvio

První sportovně-užitkový vůz od Alfy Romeo má poctivý základ, díky kterému nabízí skvělé jízdní vlastnosti. Jak si ale stojí v dalších disciplínách?

8.  8.  2017 | Milan Lažanský | 13 příspěvků