Automobilový konstruktér: vše o výkonu a jízdních odporech auta
19.08.2009 11:53
Kolik vozidlo potřebuje ke svému životu výkonu? A k čemu je vlastně tento výkon dobrý a jak se dá využít? A existuje něco jako ideální výkon pro dané vozidlo nebo jinymi slovy, jak výkonný motor potřebuji pro své auto?
K napsání tohoto textu mě inspirovala diskuse pod článkem o motorovém tuningu. Zejména argumentace čtenářů typu „auto s vytuněným motorem bude míň žrát, protože se motor nemusí tolik točit.“ Co je a nebo není na této větě pravdou si zaslouží hlubší rozbor. Ale nebojte, budu se snažit vědu omezit na nutné minimum a téma snad bude srozumitelné pro každého.
 |
| Graf č.1 |
Hmotnost vozu je samozřejmě handicapem při akceleraci a v kopcovitém terénu. Obecně se tak dá říci, že v městkém provozu a na okresních cestách bude menší automobil potřebovat méně výkonu a méně paliva. Při dálničních rychlostech je však výhodnější automobil s nižším součinitelem odporu vzduchu i přesto, že je větší a těžší.
 |
| Graf č.2 |
Pojďme si nyní představit graf č.2, který nám dává do souvislosti výkon motoru a jízdní odpory vozidla. Při jeho vykreslení jsem opět sáhl do produkce mladoboleslavské automobilky, a to pro údaje o vozidle Octavie 1.8 TSI s turbodmychadlem a manuální převodovkou. Na svilé ose grafu odečítáme hnací sílu na kolech vozidla, popřípadě jízdní odpor v kilonewtonech. Na ose vodorovné najdeme rychlost vozidla. Zleva doprava roste nám již známá křivka jízdních odporů (červená čára). Dále zde vidíme šestici povědomých křivek. Povědomé jsou proto, že jejich tvar koresponduje s průběhem vnější momentové charakteristiky motoru. Křivka je přepočítána na rychlost vozidla a hnací sílu na kolech. Vozidlo má šest převodových stupňů, proto získáme šest křivek. Celá plocha pod šesticí křivek představuje oblast, kde se může pohybovat hnací síla vozidla v závislosti na sešlápnutí akcelerátoru.
Na hotovém grafu můžeme nyní odečíst mnoho zajímavých údajů. Například to, že automobil je zpřevodován tak, že teoreticky by na šestý převodový stupeň dosáhl rychlosti 300 km/h (bod A). Ovšem hnací síla je pro tuto rychlost nedostatečná (oranžová čára), jelikož se nachází hluboko pod křivkou jízdních odporů. Pokud tedy chceme odečíst skutečnou maximální rychlost, je třeba nalézt průsečík křivky hnací síly a křivky jízdních odporů. Ten se nachází při rychlosti 227 km/h (průsečík oranžové a červené čáry, bod B).
Na hotovém grafu můžeme nyní odečíst mnoho zajímavých údajů. Například to, že automobil je zpřevodován tak, že teoreticky by na šestý převodový stupeň dosáhl rychlosti 300 km/h (bod A). Ovšem hnací síla je pro tuto rychlost nedostatečná (oranžová čára), jelikož se nachází hluboko pod křivkou jízdních odporů. Pokud tedy chceme odečíst skutečnou maximální rychlost, je třeba nalézt průsečík křivky hnací síly a křivky jízdních odporů. Ten se nachází při rychlosti 227 km/h (průsečík oranžové a červené čáry, bod B).
Nyní se podívejme na některou běžně používanou rychlost. Třeba dálniční rychlost 130 km/h. Pro udržení této rychlosti je potřeba tažné síly 0,8kN. Je vidět, že Octavia 1,8 TSI má při této rychlosti přebytek síly, když na šestý převodový poměr nabízí 2kN. Je tedy možné jet ustálenou „stotřicítkou“ s částečně sešlápnutým plynovým pedálem při otáčkách cca 3 000/min. Pokud je třeba překonat stoupání, sešlápneme akcelerátor a pokračujeme bez ztráty rychlosti. Při prudkém stoupání nebo když je třeba akcelerovat můžeme podřadit až na trojku a získat hnací sílu 2,9kN (bod C). Motor potom točí 6 000/min, což pochopitelně není vhodné z hlediska spotřeby a jízdního komfortu.
Z výše uvedeného je zřejmé, že potřeba výkonu je diktována vlastnostmi vozu (hmotnost, aerodynamika), vnějšími vlivy (stoupání, protivítr) a v neposlední řadě řidičem (rychlost, akcelerace, zařazená rychlost). Otáčky motoru jsou pak dané převodovým poměrem. No a motor je nebo není schopen výkon dodat. Pokud chci jet Octávií po rovině „stotřicítkou“, potřebuji na kolech sílu 0,8kN a na šestku bude motor točit 3 000/min. Pokud na stejném voze vyladíme motor na vyšší výkon, při ustálené rychlosti 130 km/h nezískáme nic. Motor bude dodávat stejný výkon potřebný k překonání jízdních odporů a bude spalovat stejné množství paliva. Pokud se tedy nepovede zázrak a tuner nezvýší účinnost motoru. Motor nebude pracovat na nižších otáčkách, protože by auto jelo pomaleji a argumentace tunerů o úspoře paliva je tedy lichá. Je třeba uvést, že osobní vozy tráví většinu svého života jízdou ustálenou rychlostí. Co získáme laděním je schopnost dosáhnout vyšší maximální rychlosti a většího přebytku výkonu pro akceleraci. To je výhodné pro závodní vozy, které nestráví v ustáleném režimu čas téměř žádný, ale naopak stále zrychlují a zpomalují. Pokud má někdo stejné ambice k jízdě „brzda plyn“ v běžném provozu, nechť nad ním stojí svatý Kryštof.
Nyní jsme si předvedli graf vozidla, které rozhodně netrpí nedostatkem síly. Podíváme se nyní na graf č. 3, který jsem vykreslil pro vozidlo ze spodních pater ceníku. Za vzor jsem si vzal Fábii s motorem 1,2 HTP s výkonem 44kW. Maximální rychlost 155 km/h odečteme z průsečíku červené křivky odporů a tyrkysové čáry hnací síly na pátý převodový stupeň (bod A). Vidíme, že pro rychlost 130 km/h malá Fabie potřebuje téměř stejnou hnací sílu, ale slabý motor jí poskytuje rezervu zhruba pouhých 200N a to při otáčkách přes 4 000/min (svislá červená čára)! Je známou skutečností, že každé větší dálniční stoupání zažene Fábii se základním motorem do pravého pruhu a řidiče nutí podřadit a snášet ryk rozzuřeného tříválce. Na našem grafu jsem Fábii naložil na celkovou hmotnost 1 560 kg a poslal jsem jí zdolávat stoupání se sklonem 4%. Zvýšené jízdní odpory představuje oranžová křivka. Z grafu je zřejmé, že automobil udrží rychlost s plynem na podlaze, při zařazené čtyřce a otáčkách 4 200/min (bod B). Je vidět, že motor Fabie bude na dálnici vytáčen do oblastí, kde se nechová příliš ekonomicky a auto, které je výrobcem představováno jako úsporné bude konzumovat přes deset litrů benzínu na 100 km.
Ale smyslem mého zlomyslného pokusu nebylo Fabii uhnat a zesměšnit, jen jsem chtěl ukázat, že na dálnici má takový vůz omezené možnosti. Naproti tomu v městském provozu, kde se často akceleruje, bude lehké a mrštné autíčko svou spotřebou nedostižné. Každé auto je jednoduše předurčeno pro nějaký druh provozu. Potencionální kupec by tedy měl zhodnotit, kde a jak bude automobil používat a podle toho si zvolit jak vozidlo, tak pohonnou jednotku.
Z výše uvedeného je zřejmé, že potřeba výkonu je diktována vlastnostmi vozu (hmotnost, aerodynamika), vnějšími vlivy (stoupání, protivítr) a v neposlední řadě řidičem (rychlost, akcelerace, zařazená rychlost). Otáčky motoru jsou pak dané převodovým poměrem. No a motor je nebo není schopen výkon dodat. Pokud chci jet Octávií po rovině „stotřicítkou“, potřebuji na kolech sílu 0,8kN a na šestku bude motor točit 3 000/min. Pokud na stejném voze vyladíme motor na vyšší výkon, při ustálené rychlosti 130 km/h nezískáme nic. Motor bude dodávat stejný výkon potřebný k překonání jízdních odporů a bude spalovat stejné množství paliva. Pokud se tedy nepovede zázrak a tuner nezvýší účinnost motoru. Motor nebude pracovat na nižších otáčkách, protože by auto jelo pomaleji a argumentace tunerů o úspoře paliva je tedy lichá. Je třeba uvést, že osobní vozy tráví většinu svého života jízdou ustálenou rychlostí. Co získáme laděním je schopnost dosáhnout vyšší maximální rychlosti a většího přebytku výkonu pro akceleraci. To je výhodné pro závodní vozy, které nestráví v ustáleném režimu čas téměř žádný, ale naopak stále zrychlují a zpomalují. Pokud má někdo stejné ambice k jízdě „brzda plyn“ v běžném provozu, nechť nad ním stojí svatý Kryštof.
 |
| Graf č.3 |
Ale smyslem mého zlomyslného pokusu nebylo Fabii uhnat a zesměšnit, jen jsem chtěl ukázat, že na dálnici má takový vůz omezené možnosti. Naproti tomu v městském provozu, kde se často akceleruje, bude lehké a mrštné autíčko svou spotřebou nedostižné. Každé auto je jednoduše předurčeno pro nějaký druh provozu. Potencionální kupec by tedy měl zhodnotit, kde a jak bude automobil používat a podle toho si zvolit jak vozidlo, tak pohonnou jednotku.
Co se týče motoru a spotřeby, daly by se najít dva extrémy. Příliš silný motor bude po většinu času příliš seškrcen a jeho spotřeba nebude optimální. Naopak slabý motor bude přetěžován za oblast, kde se chová ekonomicky.
Možná se podivujete, proč taková věda kolem toho, abych vám sdělil poměrně zřejmá fakta, jako že se silným motorem vyjedete prudší kopec. Chtěl jsem vám především ukázat propojení teorie s praxí a vizualizovat určité zákonitosti, které každý řidič chápe tak nějak intuitivně. Považuji to za užitečné a snad to zodpoví i nějaké otázky z diskuse pod článkem o motorovém tuningu. Zároveň můžete pohled na grafy brát jako nahlédnutí do vývojářské kuchyně, protože přesně takovéto grafy se vykreslují v raných stádiích projektu, kdy vlastně ještě žádné vozidlo neexistuje a nedá se tedy otestovat. Již se však dá spekulovat nad tím, jaký motor bude vhodný nebo jak rozvrhnout převodové stupně.
Na závěr si dovolím poznámku, že všechny podklady pro tvorbu grafů jsem vyhledal v tisku. Některé údaje jsem musel odhadnout na základě zkušeností, protože jednoduše nejsou výrobcem publikovány. Výsledky tedy nejsou exaktně přesné, považuji je však za dostatečné pro závěry tohoto článku.
Možná se podivujete, proč taková věda kolem toho, abych vám sdělil poměrně zřejmá fakta, jako že se silným motorem vyjedete prudší kopec. Chtěl jsem vám především ukázat propojení teorie s praxí a vizualizovat určité zákonitosti, které každý řidič chápe tak nějak intuitivně. Považuji to za užitečné a snad to zodpoví i nějaké otázky z diskuse pod článkem o motorovém tuningu. Zároveň můžete pohled na grafy brát jako nahlédnutí do vývojářské kuchyně, protože přesně takovéto grafy se vykreslují v raných stádiích projektu, kdy vlastně ještě žádné vozidlo neexistuje a nedá se tedy otestovat. Již se však dá spekulovat nad tím, jaký motor bude vhodný nebo jak rozvrhnout převodové stupně.
Na závěr si dovolím poznámku, že všechny podklady pro tvorbu grafů jsem vyhledal v tisku. Některé údaje jsem musel odhadnout na základě zkušeností, protože jednoduše nejsou výrobcem publikovány. Výsledky tedy nejsou exaktně přesné, považuji je však za dostatečné pro závěry tohoto článku.
Autor: Slavomír Stýblo
Publikováno se souhlasem www.tipcars.com