Mer om hästkrafter

I förra inlägget skrev jag lite om hästkrafter och vridmoment och beskrev lite skillnader mellan bensin- och dieselmotorer.

Nu tänkte jag skriva lite mer om hur mycket hästkrafter man kan få ur en motor.

En motor omvandlar energi av något slag, exempelvis bensin, till rörelse och hur bra motorn gör detta anges i effekt.

För att förbränna 1 kg bensin krävs 14,9 kg luft, men en motor ger oftast bäst effekt vid 12,5 kg luft/kg bensin.

12,5 kg luft har en volym på c:a 15,3 m³ = 1 kg luft har en volym på 1,22 m³
1 kg bensin har en volym på 0,0014 m³

För att få ut så mycket effekt som möjligt gäller det att förbränna så mycket bränsle som möjligt. Att pressa in bränsle i motorn är inga problem, men som du ser av förhållandet ovan, så krävs det enorma mängder luft för att förbränna bränslet.

Det som begränsar effekten är sålunda luftmängden. Ju mer luft motorn kan suga i sig, desto högre effekt kan vi få ut.

Fyllnadsgrad

Hur mycket luft som kan sugas in, i förhållande till slagvolymen, anger fyllnadsgraden i procent. En 2-liters motor som suger i sig 2 liter luft har en fyllnadsgrad på 100%.

Fyllnadsgraden varierar med motorns varvtal. Vid låga varvtal står luften nästan still och det är trögheten att komma i rörelse som håller emot och vid höga varvtal är det tiden ventilen står öppen som begränsar. I mellanregistret brukar högsta fyllnadsgraden uppnås och det är även här den högsta effekten tas ut.

En vanlig sugmotor kan inte uppnå högre fyllnadsgrad än 100%, men i praktiken kommer man inte ens upp i detta. Med hjälp av överladdning (turbo eller kompressor) kan man dock komma upp i över 100% fyllnadsgrad. Problemet med överladdning är att man höjer luftens temperatur vilket leder till ökad volym, men detta kan man motverka med hjälp av laddluftskylning (intercooler).

Hur mycket och hur snabbt en motor kan suga i sig luft ger effekt respektive vridmoment.

Mest luft per varv = mest vridmoment och uppnås lättast av en stor motor
Mest luft per sekund = mest effekt och uppnås lättast av en liten motor

En lastbilsmotor på 16 liter suger i sig enorma mängder luft per varv, men varvar inte speciellt mycket och har sålunda enormt vridmoment, men inte lika hög effekt.

F1-bilarna har små motorer som snurrar enormt snabb och hinner suga i sig enorma mängder luft under kort tid vilket ger hög effekt, men lågt vridmoment.

För att uppnå hög verkningsgrad vid låga varvtal krävs korta luftvägar och det motsatta gäller vid höga varvtal. Ventilerna måste stå öppna längre vid höga varvtal för att hinna släppa igenom tillräckligt med luft.

Det finns lösningar för bägge problemen, men inget ger 100% fyllnadsgrad utan överladdning. Att nå 100% fyllnadsgrad utan överladdning är i praktiken omöjligt.

Teoretisk effekt

1 gram luft kan förbränna 0,08 gram bensin med ett energiinnehåll på 832 kcal eller 3 MJ. Omräknat till effekt blir detta c:a 4 Hk/gram luft.

Om man kör en 2-liters motor med 100% fyllnadsgrad på 3.000 varv/minut skulle den teoretiska effekten enligt ovanstående uträkning bli:

3.000 varv/minut ger 50 varv per sekund. Eftersom det är en fyrtaktsmotor, så suger motorn bara in luft vartannat varv, alltså 2 liter vartannat varv, vilket ger 50 liter per sekund.

50 liter luft/sekund = 40 gram luft/sekund
40 gram luft kan förbränna 3,2 gram bensin vilket ger en effekt på motsvarande 160 Hk.

Teoretiskt innebär detta att halva effekten vid 1.500 varv och dubbla effekten vid 6.000 varv, men i praktiken blir det något helt annat då fyllnadsgraden inte är 100% varken vid 1.500 eller 6.000 varv.

Verkningsgrad

Verkningsgraden anger hur stor del av den tillförda energin som kommer ut på vevaxeln. Den största delen av energin försvinner i värme- och mekaniska förluster.

En bensinmotor utan överladdning har en verkningsgrad på c:a 30% och en dieselmotor på c:a 40%. Med överladdning ökar bägge med c:a 10-20 procenenheter.

Med en verkningsgrad på 30% ger vår motor i exemplet ovan c:a 50 hästar vid 3.000 varv/minut och det är mer med verkligheten överensstämmande.

Litereffekt

Moderna motorer kan leverera uppåt 100 Hk/liter slagvolym eller mer, utan överladdning, men det är inte så vanligt. Hårt trimmade motorer ger uppåt 150 Hk/liter slagvolym, men dessa går å andra sidan knappt att köra under 3.000 varv/minut.

Ovan nämnda litereffekt gäller bensinmotorer. Dieselmotorer har betydligt lägre litereffekt, men har å andra sidan mycket högre vridmoment/liter slagvolym.

Max effekt eller brett effektregister

När man tittar på motorspecifikationerna på olika bilar, så är det oftast maxeffekten vi tittar på, men denna är egentligen inte den intressantaste, såvida man inte tänkt köra rally av något slag.

En bred effektkurva ger en behagligare körning då man har bra effekt över ett större varvtalsområde. Det kanske inte är lika högt som i en vältrimmad motor, men motorn har en lugnare och mer behaglig gång och man slipper växla stup i kvarten.