|
Võimsuse mõõtmine |
|
Selles artiklis tuleb juttu võimsusest, hobujõududest ja sellest, kuidas ja millistes
ühikutes teda eri aegadel mõõdetud on. Kui on huvi selle vastu, mida võimsus ja
pöördemoment endast sisuliselt kujutavad, tasub lugeda artiklit
Pöördemoment ja võimsus.
|
|
|
Kõige korrektsem võimsusühik on vatt ehk siis autode juures pigem kilovatt
(kW). Sellele ühikule andis nime mees, kes ise võttis kasutusele hoopis
teise ühiku, hobujõu. Paraku ei saada sellest ühikust siiani päris ühtemoodi
aru ja seetõttu on eri kohtades ja eri aegadel hobujõude mõõdetud mõnevõrra
erinevalt. Esimene vahe tuleb sellest, et hobused ei ole kummalgi pool Atlandit päris
sama tugevad; selgub, et Euroopa (välja arvatud Inglise) hobused on natuke
nõrgemad, nimelt on üks eurohobu võrdne 735,5 vatiga, USA-Inglise oma
aga 745,7 vatiga. Vahe tuleb peamiselt sellest, et hobujõud võimsuse ühikuna
sobiks ülejäänud ühikute süsteemi (vastavalt siis meetermõõdustikku ja
Inglise-USA süsteemi) lihtsamate kordajatega. Erinevus ei ole siiski väga
suur, 100 eurohobust on võrdne umbes 98,6 USA-Inglise omaga.
Nagu mainitud mootoritehnikat käsitlevas artikliseerias, sõltub võimsus
ka välistingimustest, sh. õhurõhust, õhuniiskusest ja temperatuurist.
Seepärast ongi defineeritud nö. normaaltingimused, milles tuleks võimsust
mõõta. Kuna aga sellised normaaltingimused valitsevad väga harva, mootorit
on aga vaja testida iga ilmaga, on välja töötatud korrektsioonifaktorid.
Näiteks kui mootorit testitakse normaalist suurema õhurõhu juures (mis
suurendab võimsust) siis vastavat korrektsioonifaktorit kasutades arvutatakse
välja, palju võimsust oleks mootor arendanud normaaltingimustes. Probleem
selles, et normaaltingimusi ja korrektsioonifaktoreid on ka eri kohtades
erinevalt defineeritud, USAs näiteks on kasutusel SAE (Society of Automotive
Engineers) standard, Jaapanis aga kasutati vähemalt mõne aja eest veel
JIS-standardit. Siiski on ka standardite erinevusest tulenevad võimsusvahed
üsna väiksed.
Suuremad vahed tulevad sisse siis, kui räägitakse bruto- või netovõimsusest
(gross või net horsepower). Brutohobujõud olid USA-s kasutusel kuni 1971.
aastani, mis sobis hästi kokku üldise võimsussõjaga ja sellega, et oli
vaja näidata võimalikult suuri võimsusnumbreid. Võimsuse mõõtmisel kasutati
teistsugust väljalaset ja kõrgema oktaaniga bensiini kui tavaliselt, mootoril
polnud õhufiltrit ja võimsust söövaid lisaseadmeid (generaator; roolivõimendi
ja kliimaseadme pumbad), samuti oli süüde ja küttesegu seadistatud maksimaalse
tippvõimsuse saavutamiseks. 72. aastast alates võeti aga kasutusele netohobujõud,
mis olid märksa lähemal sellele, mida tehasekorras auto tegelikult välja
andis, normaalselt komplekteerituna ja seadistatuna. Sellisel põhimõttel
mõõdetakse võimsusi ka tänapäeval.
Mingit konkreetset valemit brutohobujõudude netoks ümberarvutamise jaoks
olemas ei ole, võib vaid üldiselt arvestada, et netovõimsus on toodud
brutovõimsusest 15-25% väiksem. Nagu öeldud muskelautode ajaloo sissejuhatavas
artiklis, olid tehase antud brutovõimsused siiski vahel tegelikust väiksemad
ja autod ise seega võimsamad kui eeltoodud arvestus tulemuseks annaks.
Kuigi juttu on netovõimsusest, ei tähenda see seda, et kogu niimoodi
saadud võimsus ka maani jõuab, võimsust (täpsemalt pöördemomenti, võimsus
arvutakse sellest valemiga võimsus=pöördemoment*pöörded/5252,
kui tegemist on naeljalgadega) mõõdetakse mootori väntvõllilt ja seega
ei arvestata kadusid, mis tekivad käigukastis, peaülekandes ja kogu ülejäänud
jõuülekandes. Väntvõllilt momenti mõõtvaid seadmeid nimetatakse mootoridünamomeetriteks
(lühem oleks mootoridüno, ingl. k. engine dyno). Vaatame, kuidas nad täpselt
töötavad.
|
|
|
|
Esmapilgul on kõik lihtne. Kinnitame väntvõlli otsa külge tala, mis võiks
olla meetri pikkune (kui tahame tulemust njuutonmeetrites). Siis võtame
keskkooli füüsikatundidest tuttava vedrudünamomeetri ja kinnitame selle
ühe otsa tala otsa külge, teise otsa aga kindlalt lakke või põrandasse,
olenevalt mootori pöörlemissuunast. Kui meetrise tala otsas on jõud 10
njuutonit, teame, et pöördemoment on 10 Nm. (Kuna pöördemoment on reaalsel
mootoril paarkümmend korda suurem, peaks tegelikult dünamomeetri vedru
ka vastavalt jäigem olema. Kaastunne neile, kes lõiku lõpuni ei lugenud
ja oma vedru lootusetult välja venitasid).
Probleem selles, et mootor peaks nagu mõõtmise ajal töötama, selline
süsteem aga ei laseks mootorit üldse ringi käia. Seega tuleks mootorit
kuidagi teisiti koormata ja sealjuures veel nii, et see mõõdetav oleks.
Selle jaoks ühendatakse mootori väntvõlli külge kas otse või vajadusel
hammasülekande kaudu pump. Pumba korpus aga kinnitatakse teljele, millel
ta veidi pöörduda saab. Ja lõpuks selle pumba korpuse külge kinnitatakse
siis eelpool kirjeldatud tala (torque arm), mille otsast mõõdetakse mõjuvat
jõudu. Seda ei tehta tänapäeval vedrudünamomeetriga vaid vastava elektroonilise
anduriga. Pumba väljalaskeava otsas on klapp, mida saab vastavalt vajadusele
rohkem või vähem sulgeda.
Kui nüüd mootor käima panna, siis hakkab pump tööle, pumbates vett või
mõnel juhul ka õli. Kuna meid huvitab mootori maksimumvõimsus, peaks mootorit
testima täisgaasil. Et mootor end täisgaasil lihtsalt tükkideks ei pööritaks,
ongi vajalik talle sobiv koormus anda. Selleks keeratakse eelmises lõigus
nimetatud väljundklappi vajalikul määral kinni, mis teeb pumba ringiajamise
raskemaks, kuni mootor täisgaasil just testijat huvitaval pöörlemiskiirusel
töötab. Ja oh rõõmu, mootor saabki nüüd pöörelda ja ühtlasi üritab ta
pumba korpust väänata just selle pöördemomendiga, mida ta parajasti arendab.
Seda momenti saab aga korpuselt juba mõõta. Üks variant oleks mõõta ka
pumba tekitatavat rõhku, kuid seda kasutatakse harvemini.
Testimine näebki tavaliselt välja nii, et kõigepealt tehakse mootor
tühikäigul ilma koormuseta soojaks, siis vajadusel töötatakse komponendid
mingi aja jooksul väikse koormusega sisse ning siis suurendatakse koormust
ning antakse juurde gaasi kuni mootor töötab täisgaasil pöörete juures,
millest soovitakse testi alustada. Kui mootor on stabiliseerunud, saabki
pumba korpuselt võtta esimese näidu. Siis vähendatakse koormust niipalju,
et mootori pöörlemiskiirus jõuaks järgmisse mõõtmispunktini, ja võetakse
uuesti pöördemomendi näit. Niimoodi minnakse näiteks 100, 200, 250 või
500 p/min sammudega mootori suurima lubatud töökiiruseni või nii kaugele,
kui testija parajasti tahab. Sellise nn. step testi tulemusena saadaksegi
tuttav pööremomendi graafik, millest saab arvutada ka võimsuse graafiku.
Kui vanematel dünodel toimus koormuse seadistamine käsitsi ja iga moment
tuli vahepeal paberile üles kirjutada, siis uuemates arvutiga süsteemides
tuleb vaid mootor esimeses punktis stabiliseerida ning anda testi lõppkiirus
ja samm - süsteem muudab ise koormust ja salvestab tulemused. See on märksa
kiirem ja ühtlasi tervislikum ka mootorile, kuna ta peab vähema aega täisgaasil
rabama.
Koormuseks ei pruugi alati olla pump, kasutatakse ka omamoodi generaatori
e. induktsiooni põhimõttel töötavaid seadmeid, mis küll ei anna voolu,
kuid mille pöörlemistakistust on võimalik muuta, varieerides seadmele
rakendatavat pinget. Ühine on igal juhul see, et tegemist on mingi seadmega,
mis koormab mootorit, pidurdades selle pöörlemist. Siit näiteks veepumbaga
düno inglisekeelne nimetus, water brake dyno. Ja sellest omakorda tuleb
vahel kasutatav viis märkida võimsuse ühikuks bhp e. brake horsepower.
See 'b' näitab järelikult võimsuse mõõtmise viisi. Kas tegemist on bruto-
kui netovõimsusega, nähtub tõenäoliselt mõõtmise ajast, USA autode puhul
seega kuni 1972. a. bruto, sealt edasi aga neto. Märkusena veel niipalju,
et võimsuse annavad netona autotehased, enamus aftermarket juppide müüjaid
ja erialaseid ajakirju kasutavad aga endiselt brutovõimsusi, kuna üldlevinud
mootoridünodel komponente testides pole küljes generaatorit ega standardväljalaset,
võimalikest roolivõimu ja konditsioneeri pumpadest rääkimata.
|
|
|
|
Kui meid aga huvitab just see võimsus, mis rataste kaudu reaalselt maha
jõuab, tuleb abiks võtta teistsugused mõõtmismeetodid. Selleks tarbeks
kasutatakse nn. chassis dyno'sid e. shassiidünosid, mis mõõdavad võimsust
auto tagaratastelt (veidi liberaalsemalt väljendudes vedavatelt ratastelt,
kuigi neliveoga on asi vist vähe keerulisem, aga siiski võimalik). Mõte
seisneb siin selles, et mootorit ei peagi autost välja võtma, vaid masin
pannakse kõige täiega stendile, seega lähevad arvesse kõikidest lisaseadmetest
ja ka jõuülekandest tulenevad võimsuskaod. Ka mõõtmismeetod on erinev
seni käsitletud brake dynodest. Üldjuhul on tegemist nn. inertsdünodega
(inertia dyno), kus auto kummagi vedava ratta all on massiivne rull, läbimõõduga
meetri kanti või üle ja kaaluga üle tonni. Auto on muidugi paigal ja kui
nüüd sellega rullide peal kiirendama hakata, kulub auto jõud rullide pöörlema
panemiseks.
Tavaliselt mõõdetakse võimsust otsekäiguga, st. kõigepealt kiirendatakse
rullid madalamate käikudega sellise kiiruseni, kus saab otsekäigu sisse
lükata, ning siis alustatakse mõõtmist, tallatakse gaas põhja ja kiirendatakse
selle käiguga kuni maksimumpööreteni. Tulemused saadakse Newtoni teise
seaduse järgi, mille kohaselt rakendatud jõud on võrdeline massi (rullide
massi) ja kiirenduse (rullide hetkekiirust mõõdetakse pidevalt) korrutisega.
Jõust on kerge leida pöördemomenti ja sellest omakorda võimsust.
Võrreldes selliselt saadud võimsust (rear wheel horsepower, rwhp) mootori
netovõimsusega, peaks võimsus tagarattast olema 10-15% väiksem (mõnel
pool on väidetud ka kuni 20% vahe võimalikkust), suuremad on kaod tagaveo
ja automaatkasti puhul. Võimsus tagarattast on üsna hea näitaja - välja
tuleb nii erinevus reitingu ja reaalse võimsuse vahel kui ka sama mootori
üksikute eksemplaride vahed.
Esimesena nimetatu kohta on hea näide ajakirja Hot Rod 98. a. mainumbris
läbiviidud testimine kümnekonna tehasekorras autoga. Testis osales kolm
autot, mille võimsusreiting on 300-305 hj. Esimene neist oli '98 Cadillac
Eldorado ETC. Esiratastelt mõõdeti võimsuseks vaid 216 hj. Kuigi Eldo
oli kolmest masinast ainsana automaatkastiga, ei ole see piisav seletus
niivõrd kehvale tulemusele. Järgmine auto oli '98 Ford Mustang Cobra.
Selle võimsuseks tagarattast saadi 257 hj. Selline vahe reitinguga on
juba peaagu mõistlike kadude piires, kuigi natuke kurblik siiski. Kolmas
auto, mida testiti, oli '98 Pontiac Firebird Trans Am. See andis tagarattast
välja 293 hj. Sisuliselt sama mootoriga, aga 345 hj reitinguga '98 Corvette'i
võimsus oli 286 hj. See näitab, et GM mängib mootorite reitinguga, andes
Corvette'ile kõrgema reitingu, ja alahindab samas päris suuresti Camaro/Firebirdi
võimsust. Selguse saabki vaid düno peal testides.
LS1 mootoritele on 280-290 rwhp võimsusi mõõdetud mujalgi; umbes 10 rwhp-lisest
kõikumisest aga nähtub, et kuigi tegemist seeriatoodanguga, võib jõuallikate
võimsus ikka teatud määral juhuslikult erineda, aga nii suured vahed võivad
näiteks veerandmiilil anda juba täiesti mõõdetava eelise.
|
|
|
|
Nagu varem rõhutatud, on shassiidüno eelisteks see, et ta näitab reaalselt
maha jõudvat võimsust ja et mootorit ei pea testimiseks autost välja võtma,
mis teeb testimise lihtsaks ja mõeldavaks ka neile, kes just professionaalsed
võidusõitjad/mootoriehitajad pole.
Paraku on sellisel dünol ka puudusi. Üks nendest on see, et tulemus
sõltub kasutatavast käigust ja mingil määral ka rehvidest, mistõttu võib
vahel võrreldavate tulemuste saamine raskendatud olla. Teised puudused
tulenevad aga sellest, et mootor jääb testimise ajaks autosse. See tähendab
seda, et kiire komponentide vahetus võrdlustestideks on raskendatud; samuti
on keeruline mitmesuguste mõõtmiste tegemine, mis mootoridüno puhul tavalised
on, näiteks väljalaske temperatuur, täpne kütusekulu jne.
Veel üks puudus tuleb sellest, et kuna koormus on shassiidüno puhul
konstantne, siis praktiliselt ongi võimalik testida vaid maksimumvõimsust
täisgaasiga kiirendamisel. Mootoridüno puhul on aga võimalusi rohkem.
Lisaks alguses mainitud step testile on võimalik teha ka nn. sweep teste,
kus mootorit kiirendatakse mingi konkreetse koormuse vastu (sarnaseim
meetod inertsdünole, ainult koormust saab vabalt muuta, inertsdüno rullide
massi aga naljalt mitte) või muudetakse koormust nii, et mootor kiirendaks
mingi konkreetse kiirusega, näiteks 100 p/min sekundis. See võimaldab
täpsemini näha, millist võimsust arendab mootor sellises olukorras, milles
ta reaalselt töötama hakkab. Mõistagi tuleb kiirendus ka vastav valida,
100 p/min sekundis on ehk omasem ringrajaautole, veerandmiili jaoks optimeeritud
lühemate käikudega auto mootori tööle vastab aga võib-olla paremini suurem
kiirendus, näiteks 600 p/min sekundis. Tuleb tähele panna seda, et sweep
testil saadav moment ja võimsus on väiksemad kui step testiga saadav ja
vahe on seda suurem, mida suurema kiirendusega test toimub, kuna mootor
peab pidevalt kiirendama ja seega komponentide inertsile vastu töötama.
Step testi puhul aga mootor stabiliseeritakse iga kiiruse juures, mis
tähendab, et inertsi ei pea mootor enam ületama. Stabiliseerimine võib
kesta ka niikaua, et ühtlasele tasemele jõuaksid ka muud mõõdetavad suurused,
näiteks väljalaske temperatuur. Tavaliselt on sammudevahelised pausid
siiski paari sekundi suurusjärgus.
Veel üks asi, mida inertsdüno koormuse konstantsuse tõttu üldjuhul ei
võimalda, on testimine osagaasi juures konkreetsetel pööretel. See on
aga sageli vajalik, et näiteks EFI-mootori puhul kõik süüte- ja kütusetabelid
paika saada.
Praeguseks on dünotüüpide osas juba mõningast segunemist, näiteks on
olemas inerts-tüüpi mootoridünosid ja samas on ka shassidünodele hakatud
lisama pidureid, et võimaldada testimist ja seadistusi osagaasi juures.
|
|
|
|