Erogazione della potenza del motore – Cos’è la coppia Vs. Cavalli di potenza

Grunter o Screamer: Qual è la differenza nei motori?

Vedi tutte le 10 fotoMarlan DaviswriterSuperFlow Corp.photographerJan 1, 2004

Potenza o coppia del motore: Qual è meglio? È un dibattito senza fine tra coloro che costruiscono motori per vivere. Prendiamo, ad esempio, le seguenti affermazioni, tutte di riconosciuti guru dei motori:

“Horsepower” vende motori e automobili. Ma la coppia muove l’auto”. – Kevin McClelland, Flowmaster Mufflers

“Costruisco un motore rigorosamente a cavalli! È più facile portare la macchina in pista con più potenza. La potenza in cavalli ti dà più chilometri all’ora, e una migliore e.t.”. – Joe Sherman, Joe Sherman Racing Engines

“La potenza dei cavalli è ciò che spinge, tira, spinge o trascina le nostre giostre attraverso il mondo pieno di attrito. Se vogliamo andare più veloci, ci vogliono più cavalli. Se vogliamo andare più lentamente, ci vogliono meno cavalli”. – Harold Bettes, SuperFlow

“Ci vuole coppia per far muovere un’auto”. – Dick Miller, Dick Miller Racing

“Vuoi correre più veloce? È tutta una questione di cavalli! Ma se hai più coppia, avrai più cavalli”. – Judson Massingill, Scuola di macchinisti automobilistici

Chi ha ragione? Come vedremo, hanno tutti ragione! Tutto inizia con i concetti di “forza” e “lavoro”.

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Lavoro spiegato La forza è un’azione di spinta o di trazione di un corpo contro un altro. A seconda della resistenza all’applicazione della forza, può risultare o meno in movimento. Diciamo che si tenta di spingere su un’auto in stallo con 125 libbre di forza, ma rimane bloccata nel fango. Avete esercitato una forza, ma non si è verificato alcun movimento perché l’auto (essendo più pesante di voi) ha troppa resistenza.

Se si applica la forza e si verifica un movimento, si è eseguito un lavoro, o il movimento di un oggetto da una posizione all’altra. Per esempio, se si usa un paranco per sollevare un motore da 600 libbre 6 piedi in aria, il lavoro svolto sarà di 6 piedi x 600 libbre o 3.600 piedi (ft-lb). Lavoro = D (distanza spostata) x F (forza applicata)

Coppia Spiegata Per definizione, il lavoro è calcolato come forza vettoriale, esercitata in linea retta. Ma i motori (così come i dadi e i bulloni quando sono serrati o allentati) ruotano attorno ad un asse.

Cos’è la coppia del motore? L’espressione di questa forza di rotazione o di torsione intorno ad un asse è chiamata coppia , che si misura in unità di forza volte la distanza dall’asse di rotazione. Se si dispone di una chiave lunga un metro e si esercita una forza di 10 libbre all’estremità di essa, allora si applica una coppia di 10 libbre-piedi (10 lb-ft). Se la chiave fosse lunga 2 piedi, la stessa forza applicherebbe una coppia di 20 libbre-piedi. Quando si dice che un motore fa “200 libbre-ft di coppia”, significa che 200 libbre di forza su una leva di 1 piede è necessario per fermare il suo movimento.

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Per evitare confusione nel sistema di misurazione statunitense, l’unità di misura per la coppia è il pound-piede (lb-ft) , mentre per il lavoro è il pound-piede (ft-lb). Ricordate che lavoro e coppia non sono esattamente la stessa cosa. Il movimento deve avvenire perché il lavoro sia fatto, ma questo non vale necessariamente per la coppia: Esercitare 10 libbre-ft di coppia su un bullone già serrato a 50 libbre-ft non produrrà alcun movimento.

Se la coppia produce movimento, come nel caso del vostro motore a meno che non sia bloccato – qualsiasi “distanza” percorsa durante la rotazione della manovella è uguale alla circonferenza di un cerchio, non ad una linea retta … quindi 1 libbra-ft di coppia prodotta durante un giro è in realtà circa pari a 6,28 ft-lb di lavoro o di energia meccanica. Eh? Basta ricordare la geometria: Trova la circonferenza di un cerchio moltiplicando il suo raggio (r) per 2 (pi). Con una leva di un metro: 2(pi)r x 1 libbra-ft di coppia = 2 x 3,1416 x leva da 1 piede x 1 libbra-ft = 6,2832 ft-lb di lavoro

Power Explained Le misure di coppia e di lavoro ci dicono quanto è stato realizzato, ma non forniscono alcun indizio sulla velocità di esecuzione di una data quantità di lavoro (o di coppia). Questo è il lavoro della potenza, un’espressione della velocità o della velocità con cui viene eseguito il lavoro. Più potenza viene generata, più lavoro viene fatto in un dato periodo di tempo.

Supponiamo che ci voglia una coppia costante di 100 libbre-ft per far ruotare un dado su un bullone di un giro completo. La tua ragazza ci mette 10 secondi per farlo. Tu, essendo un vero e proprio perno (gioco di parole), ci metti solo 5 secondi per eseguire lo stesso compito. Saresti due volte più potente, perché hai eseguito lo stesso lavoro in metà del tempo.

Nel sistema americano, la potenza è espressa in “cavalli vapore” (CV). Un hp è la quantità di potenza necessaria per eseguire 33.000 ft-lb di lavoro in 1 minuto, come si basa sulle osservazioni dell’ingegnere del XVIII secolo James Watt sul lavoro eseguito da un cavallo forte mentre azionava una pompa da miniera georgiva tirando una leva collegata alla pompa (suona come un lancio, non è vero?).

Poiché 1 cv rappresenta la produzione di 33.000 ft-lb di energia meccanica al minuto, la potenza è uguale a ft-lb/minuto diviso per 33.000, come espresso dalla Figura 1.Qui, D è la distanza in piedi che il peso deve essere spostato; F, la forza in libbre necessaria per spostare il peso; e t, il tempo in minuti necessario per spostare il peso (F) attraverso la distanza (D).

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Un dinamometro per motori misura la coppia (lb-ft), non l’energia meccanica (ft-lb); e il “tempo” di un motore è espresso in giri al minuto (giri/min). Poiché 6,28 ft-lb di lavoro è circa pari a 1 lb-ft di coppia, si possono sostituire le eqauzioni della Figura 2.

Il risultato è la classica equazione con cui tutti noi abbiamo familiarità.

Cosa ci dice la matematica Guardando questa equazione di potenza, sono evidenti diverse relazioni. In primo luogo, sapendo che dividere lo stesso numero per se stesso lo annulla (perché il prodotto è “1”), è ovvio che a 5.252 giri al minuto, i valori di potenza e di coppia sono sempre uguali. Ecco perché le curve di coppia e di potenza di un motore si incrociano sempre a 5.252 giri/min.

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In secondo luogo, supponendo che la cilindrata del motore sia fissa, l’aumento del regime di funzionamento del motore è il modo più efficace per fare grandi numeri di cavalli naturalmente aspirati. Supponiamo che un motore faccia 400 libbre a 3.000 giri/min. L’equazione ci dice che a 3.000 giri al minuto produrrebbe 228 CV. Ma se il motore facesse 400 libbre a 6.000 giri al minuto, produrrebbe 457 CV. È vero che raddoppiando la coppia prodotta a 800 libbre di potenza a 3.000 giri al minuto si produrrebbero anche 457 CV, ma che un grande aumento su un dato motore di cilindrata è improbabile nel mondo reale senza induzione forzata.

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È semplicemente irrealistico aspettarsi che un motore normalmente aspirato produca sia una grande coppia che grandi numeri di potenza sotto i 6.000 giri/min, a meno che il motore non sia davvero enorme. Per esempio, sono stato contattato da un lettore che voleva costruire una Chevrolet Chevrolet 496 big-block (non esattamente una small-fry!) che avrebbe prodotto “550 CV e 700 lb-ft per 5.500-6.000 giri/min.”. Su un motore a combustione interna, una buona regola empirica, secondo il guru dei motori a scoppio Joe Mondello, è che il picco di coppia al minuto di solito è circa il 75 per cento del punto di picco di potenza al minuto sui motori di tutti i giorni, aumentando forse all’80-85 per cento su un motore Pro Stocker o Winston Cup. In numeri tondi, ciò significa che il picco di coppia di solito si verifica 1.000-2.000 giri al minuto al di sotto del picco di potenza, quindi per una potenza che raggiunge il picco a 5.600 giri al minuto, il picco di coppia non sarebbe superiore a 4.600 giri al minuto. Inserendo 4.600 rpm e 700 lb-ft nell’equazione coppia/potenza si ottiene il risultato in Figura 3.

A 4.600 giri al minuto, un motore da 700 libbre di potenza erogherebbe già 613 CV. Teoricamente, questa combinazione sarebbe sulla via degli 800 CV. Ma nel mondo reale, una potenza così elevata non avverrà a soli 6.000 giri/min. I test al banco prova dimostrano che una camma meccanica a rulli (0,653-/0,660 pollici di sollevamento valvole; 248-/254 gradi a 0,050) e teste a porta rettangolare completamente portate raggiungono un picco di circa 6.000 giri al minuto, producendo circa 625 CV in un 496, ma con “solo” 615 libbre a 4.800 CV.

Se il lettore non voleva far girare il motore così alto ma desiderava comunque il grande numero di potenza, la soluzione migliore non è un 496, ma un 550! Don Davis ha un motore 550ci in una Ford Super Gas roadster del ’27 da 2.250 libbre che percorre un quarto di miglio in 9,9 secondi a 152 miglia all’ora. Il motore 9,8:1 eroga 760 CV a 6.800 giri al minuto e 670 libbre a 5.200 con il gas a 91 ottani. Si dice che taglierà il traguardo “solo” a 6.600 giri al minuto. Questa vettura è competitiva con i motori 522 e 540ci ad alta compressione e ad alto numero di giri della sua classe, ma dura più a lungo e richiede meno manutenzione. Alcuni dicono che si tratta di un “motore torque” – ma ricordate che ci vuole potenza per scendere in pista e fare la velocità trappola necessaria per far funzionare un dato e.t. I pollici grandi significano solo che si fa più coppia prima, il che significa grandi cavalli prima.

Size Matters Questi esempi mostrano che il potenziale di coppia di un motore normalmente aspirato è strettamente legato alla sua cilindrata. “All’interno di una determinata gamma, la coppia è una funzione del riempimento dei cilindri, della cilindrata del motore e dell’efficienza volumetrica”, dice Bill Mitchell di World Product’s Bill Mitchell. “C’è un limite di coppia per ogni motore normalmente aspirato perché si riferisce a come l’atmosfera può riempire il cilindro ad una data velocità”. Non riuscirai mai a fare 500 libbre con un 283, ma puoi farlo nel sonno con un 454. In altre parole, il modo più efficace per aumentare la potenza di coppia è aumentare le dimensioni del motore. Non ci sono sostituti per la cilindrata (eccetto un compressore).

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Che ne dite di cambiare la corsa, ma mantenendo la stessa cilindrata complessiva del motore (il vecchio dibattito sulla corsa lunga/alesaggio piccolo contro la corsa corta/alesaggio grande)? Su un motore ad asta calda a doppio scopo, destreggiandosi tra alesaggio e corsa non cambierà in modo significativo la quantità di coppia al picco, ma la combinazione corsa breve di solito alzerà il numero di giri a cui si verifica il picco di coppia – il che naturalmente aumenta il potenziale di potenza di fascia alta a scapito della fascia bassa estrema.

Se il motore dovesse funzionare principalmente al di sotto dei 5.000 giri/min, dice il noto costruttore di motori David Reher, favorire una corsa più lunga aiuta ad aumentare la velocità del pistone. “Il pistone si allontana dal TDC un po’ più velocemente con una corsa più lunga. Questo dà un segnale migliore al tratto di aspirazione e rende il motore più reattivo”.

Tuttavia, oltre i 6.500 giri al minuto, un motore di grossa cilindrata respira semplicemente meglio rispetto a un motore equivalente, ma a corsa più lunga. L’alesaggio più grande disaccoppia le valvole (e, a seconda delle configurazioni di testa del cilindro disponibili, permette di far funzionare valvole più grandi). Questo presuppone, naturalmente, che ci siano sufficienti teste di qualità disponibili per fornire le maggiori esigenze di flusso d’aria di un motore ad alto numero di giri.

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Con motori da corsa ad altissimi giri (oltre 8.000), normalmente aspirati, un picco di potenza ad altissimi giri può ridurre leggermente la quantità di coppia di picco rispetto alla stessa configurazione di base del motore in assetto stradale. Agli estremi, le restrizioni di respirazione dovute al ridotto tempo di riempimento dei cilindri e alle perdite per attrito aumentano in modo esponenziale, portando a significative perdite di efficienza. Qualsiasi cosa si possa fare per ridurre l’attrito in un motore ad alto numero di giri è quindi estremamente importante. La configurazione a corsa breve migliora di per sé la durata del motore, alleviando il carico di spinta sulla parete del cilindro, riducendo la velocità del pistone e riducendo l’attrito interno rispetto a quello che altrimenti sarebbe con la combinazione a corsa lunga. Oltre ad accorciare la corsa, considerare aste lunghe, pistoni corti, anelli a basso attrito, diametri dei cuscinetti ridotti e l’evacuazione positiva del carter.

Il motore ad alto numero di giri La potenza dei cavalli è ciò che ti fa scendere rapidamente in pista, e i motori da corsa professionali di classe mondiale sono costruiti per ottenere la massima potenza. A meno che non si tratti di giganteschi motori da montagna, inevitabilmente questo significa che sono degli spinner. L’esempio estremo sono i minuscoli motori di Formula I che fanno grandi numeri di potenza ma girano verso l’alto di 18.000 giri al minuto per farlo, e usano cambi a sette rapporti ravvicinati per rimanere all’interno delle loro strette bande di funzionamento. Con uno “spinner”, l’estremità inferiore deve essere all’altezza del compito (il che significa parti di qualità superiore, lavorazione a dadi morti e montaggio meticoloso), il rapporto di compressione deve essere tanto alto quanto pratico per il carburante disponibile, la camma deve avere sufficiente portanza e durata, il valvolame deve essere stabile ai regimi di rotazione, e le testate devono essere in grado di far fluire aria sufficiente ad alti regimi – o il motore non vivrà abbastanza a lungo per raggiungere il suo pieno potenziale teorico di potenza. Tutto ciò costa denaro… un sacco di soldi.

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E il risultato inevitabile è che alzare il picco di coppia per ottenere più cavalli di alta potenza significa meno coppia verso il basso. Questo va bene in un’auto relativamente leggera, dove una maggiore coppia in basso può comunque superare la trazione disponibile. Ma per salire nella banda di potenza utilizzabile, sono necessarie marce ripide (numeriche alte) e (se si utilizza un trans automatico) un convertitore di coppia ad altissima velocità di stallo.

Il motore a basso numero di giri I giri alti possono andare bene per un motore da corsa monouso, ma i risultati non sono sempre divertenti nella guida quotidiana. Le auto da strada non passano la maggior parte del loro tempo al di sopra dei 5.000 giri. Anche se non vi importa di ronzare il motore ad alti regimi ogni giorno, ci vuole un alto grado di competenza per ottenere prestazioni costanti e massime da un motore a giri veloci e strettamente orientato.

Alcuni motori non sono felici ad alti regimi e non lo saranno mai. I loro diametri dei cuscinetti sono troppo grandi, le loro corse troppo lunghe e le loro capacità di flusso della testa troppo scarse per lavorare davvero al piano superiore. Come sottolinea l’esperto di Olds, Dick Miller, “Il grande blocco Olds non è in grado di vivere ad alti regimi. Il 455 ha la corsa più lunga di tutti i big-block sul mercato. I suoi cuscinetti principali da 3 pollici sono anche i più grandi. A 6.000 giri al minuto la velocità [di rotazione] del cuscinetto principale di Olds è quasi uguale a quella di un piccolo blocco Ford a 9.000 giri al minuto!

La maggior parte delle auto da strada sono relativamente pesanti, a volte trasportano fino a 12-14 libbre/cv. Per superare l’inerzia di un peso pesante – la proprietà di un corpo che tende a resistere a un cambiamento del suo stato di riposo o di movimento – è necessaria una grande leva iniziale. E se non altro, la coppia è la leva.

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Tutto questo sembra sostenere la necessità di costruire per ottenere prestazioni a basso numero di giri. Molti costruttori lo chiamano “costruire per la coppia” o “assemblare un mostro di coppia”. Ma in ultima analisi, è davvero una questione di semantica. Qualunque sia il termine, l’obiettivo è quello di massimizzare la potenza del motore nell’intervallo di giri in cui il motore passa la maggior parte del suo tempo, sia che si tratti di limitazioni di progettazione intrinseche, sia che si tratti di un uso previsto o di una combinazione di questi fattori. Anche con configurazioni a basso numero di giri, il motore che produce la maggiore coppia a regimi equivalenti renderà più potenza – e dovrebbe essere più veloce.

Area sotto la curva Si noti che abbiamo detto “l’intervallo di giri dove il motore passa la maggior parte del suo tempo”. Il solo fatto di considerare i numeri di picco è fuorviante. In quasi tutti i casi, è meglio guardare l’area media sotto la curva di potenza piuttosto che semplicemente ai numeri di picco, perché una curva più ampia e più piatta offre generalmente prestazioni superiori a una curva di picco. Come dice Harold Bettes di SuperFlow, “Alcuni motori [che] hanno una curva di potenza che assomiglia alla cima di un tavolo [invece di] una catena montuosa di profilo sono puri piaceri da guidare”. Scooter Brothers di Comp Cams aggiunge: “Se si tratta di un’auto Comp Eliminator, Pro Stock, o Winston Cup, forse la potenza di picco è la risposta”, perché questi motori funzionano in una banda di giri relativamente stretta. “Ma per l’auto a doppia funzione, la coppia deve essere piatta per un periodo di tempo prolungato”.

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Secondo David Reher, “Guardiamo la potenza media all’interno della gamma di giri in cui corriamo; non guardiamo il numero di picco. Ogni volta che si riesce ad alzare la media, questo è un aumento. Ma non si vuole perdere potenza da qualche altra parte”.

“Più ampia è la banda di potenza, migliore è l’accelerazione”, dice il mago del turbo Ken Duttweiler. “I migliori esempi sono i motori a camme variabili come la Honda VTEC, che scendono a 500 giri/min e accelerano fino a 7.000! E Norm Brandes della Westech Automotive (del Wisconsin) aggiunge che i motori ad alta tensione e a picco “sono più facili da mettere fuori servizio”. Un carburatore su un buon motore a “coppia” vede un segnale collettore molto più forte, quindi è più indulgente. Lo stesso vale per la gestione elettronica del motore; il computer sarà molto più felice con una curva ampia”.

Generalmente l’intervallo di giri/minuto più importante è l’area tra i giri di coppia di picco e i giri di potenza di picco. L’auto dovrebbe essere orientata in modo da spostare 400-500 giri al minuto oltre la potenza di picco, e il motore “cade indietro” fino a poco oltre il punto di picco della coppia. Supponendo un intervallo di funzionamento simile, il motore con la maggiore area sotto la curva di potenza tra i punti di picco di potenza e di coppia giri/min.

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Su un motore con la più “area sotto la curva”, la coppia cade meno rapidamente dopo aver raggiunto il suo picco, quindi in questo senso si sta sempre costruendo per la migliore coppia complessiva, al fine di produrre la migliore potenza complessiva. Questo è il punto in cui Scooter Brothers of Comp Cams ottiene il suo assioma, “costruire per la coppia, e la potenza si prenderà cura di se stessa”, ma ricordate che l’obiettivo finale è sempre quello di generare la massima potenza all’interno del campo di funzionamento del vostro motore. “Non c’è una cosa che non sia un compromesso”, sottolinea David Reher. “Questa è la cosa più critica nella costruzione dei motori: decidere dove e quando fare questi compromessi”. Harold Bettes aggiunge: “È il pacchetto con la maggiore area sotto la curva di potenza che ha il vantaggio. Ricordate, non si può avere potenza senza coppia, ma si può avere coppia senza cavalli”. Si chiama “camion della spazzatura”.

FONTI Competition Cams Inc. McCord Consulting Group Ltd. Memphis, TNSt. Louis, MO800/365-9145314/830-9471www.compcams.comwww.mccordcg.com Crane Cams Mondello Performance Products Inc. Daytona Beach, FLPaso Robles, CA904/252-1151805/237-8808www.cranecams.comwww.mondellotwister.com Dick Landy Industries Reher-Morrison Racing Engines Northridge, CAArlington, TX818/341-4143817-467-7171wwww.rehermorrison. com Dick Miller Racing Memphis, TN School Of Automotive Machinists 901/794-2834 (SAM) www.dickmillerracing.comHouston, TX713/683-3817 Duttweiler Engineering www.samracing.comVentura, CA805/659-3648 Super Flow Corp. Colorado Springs, CO Flowmaster Inc. 719/471-1746Santa Rosa, CAwww.superflow.com800/544-4761www.flowmastermufflers.com Westech Automotive Silver Lake, WI Hank The Crank (HTC) 262/889-4346South Gate, CAwww.westechauto. com562/861-7682www.hankthecrank.com Westech Performance Group Mira Loma, CA Joe Sherman Racing Engines 909/685-4767Santa Ana, CAwww.westechperformance.com714/542-0515Show All

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