Článek o lenivém Hyundai vyvolal u disktujících hnutí mysli a nastal
proto čas na další díl automobilního dehoaxingu, který se bude zaobírat
populárními pojmy "kroutící moment" a "výkon". Napíšu to z hlavy bez nějakých
odborných zdojů a vy mi pak můžete v diskusi oponovat, což může vyústit
v zajímavou situaci, která ukáže, že moderní auta navrhují diletanti, což
je zhusta pravda.
Jistě jsme se setkali s údajem, že motor například osobního auta má
výkon 105 koní a kroutící moment 175 Nm. Dá se říci, že pro některá periodika
je tohle standardem při referování o pohonných jednotkách, ale ve skutečnosti
poskytuje věta jen velmi orientační údaje a o tom, jak auto pojede právě
ve vašich rukou, vypovídá zhruba tolik jako velikost bot o IQ.
Někdy to dospěje do situace, kdy prodejci, tuneři nebo dokonce dopravní
experti tvrdí, že některé motory mají "krouťák", zatímco jiné jsou
stavěny na výkon, čímž vzniká dojem, že se obě charakteristiky vylučují
navzájem.
Výkon P je práce odvedená za čas a závisí na kroutícím momentu a otáčkách.
Nelze ho snadno a přímo měřit.
Kroutící moment M a otáčky n jsou měřitelnou a také měřenou veličinou.
Výkon P je hodnota vypočtená z kroutícího momentu a otáček.
Výpočet se odehraje podle vzorce
M = 30 * P * 1000 / ( n . 3,14)
kde P je výkon v kW podle techničáku a otáčky jsou v obrátkách klikové hřídele za minutu,
tedy to, co ukazuje otáčkoměr. Odvození vzorečku se odehrává na bázi středoškolské
fyziky a vychází z toho, že práce = síla * dráha, přičemž v případě rotačního
pohybu je dráha kruhová.
Výše popsaný motor se 77kW a 175 Nm je zcela reálný, je to motor 1.2
TSI z produkce koncernu VW a je to výborný motor, ačkoli vám budou dopravní
experti v hospodě tvrdit něco jiného. Když dosadíme do vzorečku, pak
M = 30 * 77 * 1000 / (5000 * 3,14) = 147 Nm
Proč to nevyšlo? Protože uvedený motor v 5000 rpm sice disponuje výkonem
77 kW, ale nedisponuje již kroutícím momentem 175 Nm. Když se podíváme
na graf, ve kterém jeho výrobce vynesl závislost obou parametrů na otáčkách,
bude to asi jasné. Uvedené hodnoty jsou totiž maximální, a maximum momentu
a maximum výkonu nastalo pokaždé při jiných otáčkách.
Pro 3000 rpm
M = 30 * 55 * 1000 / (3000 * 3,14) = 175 Nm
Hopla. Záhada objasněna.
Z výše uvedeného vztahu plyne, že kroutící moment motoru závisí nepřímo
na otáčkách a přímo na výkonu dosahovaném při těchto otáčkách. Vysoký maximální
točivý moment budou mít motory, které dosahují velkého výkonu při nízkých
otáčkách. Naopak motory s velkým výkonem ve vysokých otáčkách vysoký kroutící
moment mít nebudou.
Jinak řečeno, v různých datasheetech uváděné maximální hodnoty mnoho
neříkají, rozhodující je jejich průběh v závislosti na otáčkách.
Ještě jinak řečeno, hodnoty výkonu a kroutícího momentu je zapotřebí
posuzovat ve ve vzájemném kontextu a sledovat jejich průběh v otáčkách,
přičemž je nutné uvážit svůj vlastní styl jízdy a spektrum otáček, které
nejčastěji používám.
Nyní to celé zkomplikujeme a začneme se bavit o síle, která působí
na kolo a tím také na silnici. Ta nás také zajímá. Chceme silné auto. Nebo
ne? To je jedno, každopádně to trochu zjednodušíme v tom smyslu, že kolo
namontujeme bez převodovky přímo na konec klikové hřídele a zpřevodování
budeme řešit jen průměrem kola (nebo jeho rádiusem R). Hnací síla při takovém
konstantním převodu je přímo úměrná kroutícímu momentu (F = M / R).
Z toho plyne, že maximální zrychlení dosáhne automobil poblíž maxima
kroutícího momentu.
Kdybychom se vrátili ke vztahu, který udává závislost momentu a výkonu,
který pro další účely trochu upravím
M = 60 * P / ( n * 2 * pi) a dosadili, že M = F * R
tak nám vyjde, že
F = 60 * P / ( n * 2 * pi * R)
přičemž 2 * pi * R je obvod toho kola, které jsme na motor přidělali
a otáčky znamenají počet jeho otáček za jednotku času. Celý jmenovael je
rychlost, dá se tedy napsat, že F = P / v.
Dynamické vlastnosti vozidla tak určuje pouze výkon. Zjevně hraje velkou
roli velikost toho kola, které jsme na motor připevnili, tedy převodový
poměr. Auta s velkým výkonem ve vysokých otáčkách budou tak sice mít nižší
maximální kroutící moment, ale síla na kolo bude stejná, protože (pro dosažení
stejné rychlosti, která je limitována provozními okolnostmi a legislativou)
budou mít jiný převod.
Nyní jak se to celé jeví z pohledu řidiče.
Výše znázorněný motor VW 1.2 TSI 8V
Maximální kroutící moment je k dispozici od nějakých 1500 rpm až do
4000 rpm, kde je současně nárůst výkonu lineární. Ve 4000 rpm začne kroutící
moment výrazně opadat (to způsobuje malé turbo, které ve vyšších otáčkách
generuje velký protitlak). Z hlediska uživatele asi bude problém dávkování
kroutícího momentu (ten je konstantní a neroste s otáčkami), takže auto
možná pojede nerovnoměrně s přískoky typickými pro diesel. Limitem použitelnosti
je hodnota 4000 rpm, nad kterou už neroste výkon a výrazně klesá kroutící
moment. Evidentně nic pro závodníky, ale řidič operující v rozsahu 1500
- 4000 rpm bude spokojený s pružností motoru.
Klasický "vysokootáčkový" atmosférický motor
Kdo má trochu citu pro jízdu, asi mi dá za pravdu, že podčtvercový šestnáctiventil
má něco do sebe, pokud jeho potenciál umíte využít. Alfa Romeo 145, motor
Twin Spark 1.6 je toho ukázkou, protože jeho špičkový výkon využijeme jen
v úzkém rozsahu otáček, někde mezi 5000 a 6000 rpm. Maximum výkonu nějakých
110 koní nastává v 5700 rpm, maximum kroutícího momentu asi ve 4000 rpm.
Tam začne křivka točivého momentu opadat, ale poblíž výkonového maxima
v 5000 rpm lze pořád doufat ve slušnou akceleraci. Do nějakých 4000 rpm
narůstá kroutící moment s otáčkami, což se postará o příjemnou plynulou
snadnou dávkovatelnou akceleraci.
Downspeeding v praxi
Motor Škoda 1.2 HTP není příliš oblíben pro fatální závady a omezenou
dynamiku. Myslím, že alespoň část jeho uživatelů by nebyla zklamaná, kdyby
se nenechala oblbnout marketingem týkajícím se vysokého kroutícho momentu
(High Torque Performance) a místo na jeho maximální hodnotu se soustředila
na jeho průběh. Asi by jim pak došlo, že tento motorek je postaven na jízdu
v nízkých otáčkách.
Motor má mezi 2000 a 3000 rpm přibližně linární průběh výkonu a celkem
slušné hodnoty kroutícího momentu, ten také plynule narůstá (ve 2000 rpm
se přibližuje výše popsané Alfě, která jinak patří do úplně jiné výkonové
ligy), ale ve 3000 rpm přijde výrazný zlom a opadání kroutícího momentu
až někam k 70 Nm poblíž výkonového maxima. S takovým motorem asi nebude
při rychlejší jízdě v oblasti nad 3000 rpm příliš snadné pořízení, ačkoli
výkon blízký maximálnímu je k dispozici v celém rozsahu od nějakých 3500
rpm do 5500 rpm. Haťapce prostě dojde dech.
Šestíválec VW V6 2.8 30V
Na evropské poměry je maximum točivého momentu impozantní stejně jako
průběh točivého momentu gradující s otáčkami. Křivka se propadá mezi 4000
a 5000 rpm (zřejmě vlivem přepnutí variabilního dvoustupňového sacího potrubí;
Porsche ve stejném motoru pro Cayenne použil dokonce třistupňové sání),
ale vsadím se, že většina zákazníků to nepostřehne a v rozsahu 2000-5000
rpm bude vnímat průběh točivého momentu jako víceméně plochý. I zde bych
očekával příjemné plynulý zátah, kdy v širokém spektru otáček bude motor
pružný a ve vyšších otáčkách bude stále možné slušně akcelerovat.
VW 1.9 TDI aneb kde udělali soudruzi chybu
Pro někoho sen, pro mě ukázka, jak to nemá vypadat.
Maximální hodnota kroutícího momentu nějakých 250 Nm může někoho svádět
k myšlence, že dynamika jízdy bude srovnatelná s výše uvedeným šestiválcem.
Nicméně nikdy tomu tak nebude. Ve 2000 rpm ze sebe vydá nafťák to nejlepší
a pak už nic nepřijde. V otáčkách kolem výkonového maxima (4000 rpm) už
disponuje jen asi polovinou kroutícho momentu a z hlediska řidiče nemá
praktický význam motor vytáčet přes nějakých 2800rpm, do kterých je pokles
točivého momentu ještě akceptovatelný. Jízda s tímto motorem je možná pro
někoho orgasmus, ale v praxi nebude příjemná ani plynulá. Bude se jednat
o přískoky s velkým zrychlením v nízkých otáčkách a naopak totální ztrátu
pružnosti v otáčkách vyšších. Zároveň ukazuje na geniální marketing, který
dokázal z konstrukční chyby udělat ctnost zvanou "mohutný zátah".
Hyundai 1.6 CVVT
auto z nedávného článku. Problém
byl data pro Hyundai vůbec najít, protože české zastoupení Hyundaie je
na svých stránkách vůbec nemá. Našel jsem je přes diskusní
fóra a je původem z rumunských stránek automobilky KIA. Ukazuje to
na další problém. I ten, kdo problematiku průběhu výkonu a kroutícího momentu
nějak zprocesuje, bude mít problém data najít, protože z hlediska marketingu
se jedná o nepotřebný a příliš specializovaný údaj, který raději nepublikují,
aby nezahltili zákazníka informacemi. Musíme prostě připustit, že pro mainstream
je podstatnější možnost spárovat infotainment a smartphone než motor, který
nepředstavuje dostatečně zábavný gadget, nemá žádný hipster potenciál a
vliv zákazníků, kteří si kupují auto kvůli podařenému motoru, je nakonec
bezvýznamný.
Navíc nepokládám informaci za příliš důvěryhodnou, protože nerespektuje
vzoreček a hodnoty jsou poněkud fantastické. Ve 2000 rpm by Hyundai kroutícím
momentem asi 140 Nm deklasoval úplně všechno v obdobné kategorii a možná
i výše uvedený šestiválec. To ukazuje na další problém - údaje uváděné
výrobci jsou často různě vyhlazené, optimalizované nebo dokonce odpovídají
starším příznivějším normám.
Jak je to celé zapracované v motormanagementu? Řídící veličinou motorové
řídící jednotky je kroutící moment. Přes pedál plynu dává řidič signál
o tom, kolik momentu chce. V paměti řídící jednotky je uloženo, kolik je
možno za daných poměrů (otáček, zatížení, emise apod.) z motoru získat.
Celá regulace dynamiky jízdy se tak odehrává ve smyčce založené na porovnávání
cílového (řidičem požadovaného) a dostupného kroutícího momentu.
Svoji roli také hraje vnímání celé situace řidičem. Například se zjistilo,
že vysavače, které sice hodně vysávají, ale běží potichu a bez vibrací,
vnímají jejich zákazníci jako méně výkonné a dokonce méně účinné nežli
přístroje, které jsou hlučné a vibrují. Auto, které jede relativně potichu,
bez vibrací a má plynulý záběr, je tak vnímáno jako lenivější než nějaký
třesoucí se a hlučný diesel, u kterého dochází k popsaným přískokům známým
v motoristických recenzích jako "mohutný zátah".
Pro většinu řidičů bude pravděpodobně výhodné volit takový motor, který
má průběh kroutícího momentu v požadovaném rozsahu otáček víceméně plochý
a v tomto rozsahu otáček je nárůst výkonu lineární. Dále by měl maximální
výkon být dostupný v širším rozsahu otáček.
V tomto článku jsme se vůbec nezabývali energetickou stránkou věci,
tedy proč se tohle všechno děje, a jednalo se jen o jednoduché objasnění
souvislostí základních fyzikálních hodnot. Nenechte se proto nachytat na
fantastické hodnoty z prospektů anebo nelamte hůl nad dobrým autem proto,
že nemá "krouťák pyčo".
11.1.2015 D-FENS