Dříve než se podíváme na principy ladění charakteristik motorů (tj. průběh točivého momentu a výkonu motoru v závislosti na jeho otáčkách), pokládáme za nutné na základě vývoje diskuzí pod úvodními díly naší trilogie ještě jednou zdůraznit oblast aplikace teorie, kterou jsme předložili zde a zde. Veškeré závěry námi vyslovené ve všech třech vstupech jsou v platnosti za předpokladu, že máme možnost připojit k motoru vícestupňovou převodovku s možností libovolně přizpůsobit převodová čísla (což jsme ovšem také ve druhém odstavci a i v poslední větě úvodního dílu uvedli).

Porovnejme si nyní dva motory dle obr.9 s rozdílnými charakteristikami a spočítejme si točivý moment Tk[Nm] na hnaných kolech při určité (jakékoliv, ale vždy stejné) rychlosti auta. Oba motory budou v závodním speciálu pochopitelně osazeny převodovkami s rozdílnými převodovými čísly (tak, aby výsledné dosažené maximální rychlosti na první a poslední stupeň v obou případech byly shodné). Tyto převodovky budou navrženy tak, že provozní režimy obou motorů budou v otáčkovém rozsahu dif.n [1/min] (čili při přeřazení po dosažení otáček nH spadnou otáčky na nD) a přitom budeme ztrácet max. 5% z maximálního efektivního výkonu.

Po volbě např. převodu iHa =10 pro konfiguraci převodovky a motoru dle a) platí pro konstantní rychlost podmínka (nD/nH)=(iD/iH), takže převod iDa=10*8.500/10.000=8.5

Pro konfiguraci převodovky a motoru dle b) musí být z důvodů možnosti srovnání (při stejné rychlosti závodního speciálu) splněna podmínka (nHa/nHb)=(iHa/iHb), tedy iHb=15.000/10.000*10=15, a dále iDb=13.000/15.000*15=13

Točivé momenty na hnaných kolech vyčíslíme pro provozní režimy motorů určených otáčkami nD a nH s použitím rovnice (7) z úvodního dílu našeho miniseriálu:

Případ a):

TkD=(30/π)*PeD*(iD/nD)=(30/π)*430exp+03*(8.5/8500)=4100Nm, TkH=(30/π)*PeH*(iH/nH)=(30/π)*455exp+03*(10/10000)=4350Nm.

Případ b):

TkD=(30/π)*PeD*(iD/nD)=(30/π)*460exp+03*(13/13000)=4400Nm, TkH=(30/π)*PeH*(iH/nH)=(30/π)*490exp+03*(15/15000)=4650Nm.

Jestliže si porovnáme výsledky, ihned vidíme, že závodní speciál osazený konfigurací motoru a převodovky dle b) dává vždy vyšší hodnoty točivého momentu na kolech Tk[Nm] (a tedy i výsledné hnací síly F[N] ve smyslu rovnice (6) z úvodního dílu našeho miniseriálu), a to i přesto, že motor dle b) má dramaticky nižší točivý moment na klikové hřídeli (posazený do vyšších otáček a nižší o 150 Nm v maximu) nežli motor a)! Právě tato okolnost prolíná všemi díly naší minitrilogie a konkrétně dokazuje nezvratný fakt, že totiž hodnota točivého momentu motoru nám v žádném případě nevypovídá o jeho kvalitě. Naopak: pokud se podíváte pozorně na grafy a) a b) zjistíte, že motor dle b) má v porovnávaném jízdním režimu vyšší výkon nežli motor a), a skutečně pouze a jen tato veličina, sice výkon motoru, poslouží jako jediné možné srovnávací kritérium kvality motorů přesně ve smyslu našeho odvození v úvodním dílu (vztahy (5), (6) a (7)). Pochopitelně předpokládáme perfektní sladění převodovky s motorem, jak jsme v druhém dílu ukázali.

Ještě stále myslíte, že je točivý moment motoru podstatný? Jistěže není.

Nyní pro úplnost ukážeme ještě jednu možnost grafického znázornění trakce, která již ve světle posledních vědomostí sice ztrácí na významu, avšak která je pro svou vysokou přehlednost stále oblíbena. Jde o tzv. T-w diagram, na jehož souřadnicové ose je rychlost w[km/hod] závodního speciálu a na ose pořadnic je točivý moment na kolech Tk[Nm], jednoduše přepočítaný prostým přenásobením točivého momentu motoru konkrétním převodovým číslem pro ty konkrétní otáčky motoru, pro které je počítána rychlost (otáčky motoru zde vystupují jako parametr), obr. 10:

Jako výchozí materiál nám pro tvorbu grafu dle obr.10 posloužila charakteristika motoru dle obr.5 a dále graf dle obr.8 z druhého dílu série (a, poněvadž nejsme dřevorubci (mr. Tyrrell promine), použijeme mnohem techničtější pojmenování a nadále se přidržíme pro obr.8 názvu rychlostní diagram).

Grafika na obr.10 ukazuje křivky točivých momentů na kolech monopostu (modré čáry) na jednotlivé rychlostní stupně, dále adhezní limit přeneseného točivého momentu z kol na vozovku (upozorňujeme, že jde o náš odhad; konkrétní hodnoty nemáme k dispozici), který se s rychlostí auta kvadraticky zvyšuje vlivem aerodynamické přítlačné síly (zelená čára) a také tečnou křivku (obálku) jednotlivých momentových čar (červená plná čára), která ukazuje maximální možné využití motoru v případě, že by s ním byl namísto sedmistupňové převodovky spojen variátor. Z grafu můžeme vyčíst například maximální velikost točivého momentu na hnaných kolech (na jedničku to je 5465Nm, který se ovšem nezrealizuje kvůli nedostatečné adhezi- kola by se při plném využití potenciálu motoru vždy protočila, pokud se budeme pohybovat v grafu nad zelenou čarou adhezního limitu), nebo například okolnost, že při rychlosti 190 km/hod může jet monopost na sedmičku, šestku, pětku, čtverku resp. trojku a přitom se vyprodukuje na hnaných kolech točivý moment Tk 2005, 2430, 2865, 3125 resp. 3275Nm.

Za zmínku ještě stojí poloha obálky křivek točivých momentů, která se tečně dotýká momentových čar právě v bodech, v nichž motor produkuje maximální výkon- v našem případě pro motor s charakteristikou dle obr.5 při 18.000 otáčkách za minutu (červená spojitá čára). Tato obálka má hyperbolický průběh a ukazuje maximum možného využití motoru- za žádných jiných okolností nelze z motoru dostat více hnací síly na kolech monopostu, nežli právě v tomto případě provozu motoru v bodě maxima výkonu. Naproti tomu ekvidistantní čára (červená čárkovaná) ukazuje situaci, která by vznikla připojením variátoru k motoru naladěného tak, aby byl motor provozován v oblastech maxima točivého momentu na klikové hřídeli. Všimněte si, jak mnoho z točivého momentu na kolech bychom v takovém případě provozování motoru ztratili (pro rychlost 190 km/hod by to bylo celých 410Nm… ještě stále myslíte, že je točivý moment motoru podstatný?).

Při optimálním řazení se přenese na hnaná kola výsledný točivý moment podle schodovitě navazující křivky, která kopíruje momentové čáry (v obr.10 ozn. silnou tmavě modrou čarou). Čím jemnější zpřevodování (čím více řazených stupňů), tím lépe se bude tato schodovitá křivka přibližovat ideální ‘variátorové’ čáře. Ukažme si, pro zajímavost, jak by dopadla formule jedna s pětistupňovou převodovkou podle obr.11:

Zde nám tmavě modrá schodovitá čára zobrazuje průběh Tk pro ladění se sedmistupňovou převodovkou (dle RD z obr.8 a shodně s obr.10) a tmavě červená schodovitá čára ukazuje průběh Tk pro pětistupňovou převodovku laděnou dle podmínky dif.n=konst, přičemž převodová čísla prvního a posledního stupně se shodují. Zeleně šrafované plochy ukazují ztrátu a oranžové plochy naopak přírůstek na Tk při použití pouze pěti rychlostních stupňů. Je zřejmé, že v součtu došlo ke značné ztrátě na točivém momentu na kolech Tk při pokusu aplikovat pouze pětistupňovou převodovku. Důvod je ten, že jsme (u 5° trakce) museli připustit vyšší spad otáček při přeřazení, a tím pádem jsme ztratili daleko více výkonu, viz obr.5 (o provozním točivém momentu motoru, který naopak vzrostl aniž by to bylo co platné, ani nebudeme psát…).

Ukažme si ještě jeden docela zajímavý případ T-w diagramu pro motor s konstantním výkonem v provozním režimu (snad prominete, že se na chvíli odkloníme od aplikace F1). Jako příklad nám poslouží motor z rallyového speciálu mitsubishi lancer evo X, s homologovanou převodovkou dle řádu FIA pro sk. N4, viz obr.12:

V horní části obr.12 je charakteristika motoru s téměř plochým výkonem v rozsahu 3300-5500 ot/min (všimněte si hyperbolického průběhu křivky točivého momentu motoru- vzpomínáte na obr.4b z druhého dílu?) a T-w diagram spočítaný pro homologované převody 1-5 stupně. Na tomto grafu (vpravo nahoře) ukazují přerušované modré čáry přepočítaný točivý moment Tk na kolech pro provozní režim motoru nad 5500/min. Všimněte si, že v tomto režimu vůbec nemá smysl motor provozovat (neboť je daleko vhodnější přeřadit a posunout tak režim motoru do oblasti dif.n s vyšším výkonem). Pokud si však vzpomenete na naše odvození ideální výkonové křivky ve druhém dílu a na text pod obr.4 tamtéž, pak asi vnímáte, že zde něco nehraje. Jistě- odvodili jsme (viz také rovnice (6) z úvodního dílu), že pokud provozujeme motor v oblasti konstantního výkonu, pak nemá vůbec smysl (v rozmezí dif.n) řadit. Jenže, spad otáček při řazení u lanceru evo X homologovanému firmou RalliArt je dalek konstantnímu otáčkovému spadu. Zkusme tedy přepočítat převodovku pro dif.n=konst a nakresleme T-w diagram pro tento případ trakce, na obr.12 dole. Všimněte si, že ačkoliv jsme snížili upravením převodových čísel počet řazených rychlostí pouze na čtyři, nic jsme z točivého momentu na kolech neztratili a původní tvar křivky (modrá) se zcela kryje s (červenou) křivkou pro čtyřrychlostní případ trakce! Dokonce, u rychlosti 200 km/hod a více zaznamenáváme nárůst točivého momentu na kolech.

Tady vidíme, jak jsou mnohdy principy trakce inženýrům i renomovaných firem cizí, a jak fatálních chyb se mohou dopustit. Můžeme to dejme tomu pochopit u techniky N4; jestliže však vidíme podobně hloupě navržené převody i u vozů WRC, je to, velmi mírně řečeno, smutné. Přitom jediné, co by bývalo bylo stačilo, je znalost, porozumění a aplikace rovnice (6) z úvodního dílu.

Poznamenáváme však, že tuto modifikaci převodů (z pěti na čtyři řazených stupňů) jsme si mohli dovolit jen a pouze proto, že ve využívaném provozním režimu dává motor téměř konstantní výkon (v jiném případě by to nebylo možné). Všimněte si také tvaru čáry provozních momentů Tk v grafech na obr.12- má typický hyperbolický průběh a na první pohled evokuje (taktéž hyperbolickou) variátorovou čáru charakteristickou maximálním možným využitím potenciálu motoru provozem v bodě konstantního výkonu. Máme tu najednou zvláštní případ, kdy naladěním motoru na konstantní výkonovou křivku jsme schopni dosáhnout maxima hnací síly na kolech auta aniž bychom museli použít variátor. Vzpomínáte na odstavec nad poznámkou 5 ve druhém dílu ohledně mýtu plochého točivého momentu motoru?

Vraťme se nyní k technice formule jedna a ukažme si různé možnosti ladění motorů F1, přičemž budeme jednotlivé konfigurace posuzovat podle průběhu výkonových křivek, v souladu se závěry učiněnými v předchozích vstupech. Výchozí charakteristikou nám bude graf z obr.5 druhého dílu, který překreslíme do obr.13 červenou tečkovanou čarou a a nové možné varianty řešení charakteristik budeme porovnávat s tímto výchozím stavem.

Poněvadž u tak sofistikované techniky, jakou bezesporu formule jedna je, předpokládáme schopnost provozovat motor v optimálním otáčkovém režimu vymezeném spadem otáček po přeřazení dif.n [1/min], jak ukazuje šedá výplň v pravé části obrázku, bude nás zajímat zejména tato oblast. Pokusme se nyní vžít do role vývojářů motorů a mějme za cíl upravit výchozí výkonovou křivku a tak, abychom zvýšili jízdní výkon monopostu se stávající převodovkou (s konstantním otáčkovým spadem). První hypotetická možnost je přeladit motor dle výkonové křivky b (zelená), což je ta nejoptimálnější transformace výchozí výkonové charakteristiky se zachovaným výkonem (neboť, jak jsme si ve druhém dílu s použitím obr.4b a v předchozím textu odvodili, motor provozovaný v režimu konstantního výkonu produkuje pro jakoukoliv kombinaci převodových čísel maximální točivý moment na kolech při konkrétní rychlosti). Jenže, pro atmosférický motor je tento tvar výkonové křivky sotva dosažitelný (naproti tomu u turbomotorů lze této charakteristiky dosáhnout snadno, viz např. rallyové vozy specifikace WRC nebo N4). Naproti tomu, dosáhnout výkonové křivky dle c (modrá) již reálné je, a s takto laděným motorem bychom se s jistotou do cíle dostali rychleji a dříve. Pak tu máme možnost naladit motor dle charakteristiky d (oranžová), která sice dává daleko největší točivý moment na klikové hřídeli motoru, díky němuž bude motor příjemně „pružný“, avšak absence výkonové špičky (mluvíme zde o využitelné výkonové špičce) by zcela jistě způsobila zhoršení jízdního výkonu monopostu.

A nyní je čas nakreslit tlustou čáru; až dosud jsme byli schopni vystačit s elementární fyzikou (a i přes jednoduchost přístupu bez uvažování vlivu dynamiky jsme dokázali mnohé); na posouzení výkonových křivek e a f však již nejsme schopni jednoznačně odpovědět. U křivky e můžeme s jistotou zaručit zlepšení jízdního výkonu monopostu (ve smyslu definice dle poznámky 1 z úvodního dílu) jedině, pokud bychom zúžili provozní režim motoru. To by však vedlo k častějšímu řazení a ke zvýšeným nárokům na pilota. Ovšem pro posouzení konfigurace motoru naladěného dle křivky f by už byla nutná dynamická analýza pro konkrétní okruh, a „díra“ v průběhu výkonu i točivého momentu motoru těsně pod provozním režimem by měla fatální dopad na jízdní výkon, pokud by pilot chyboval, anebo za extrémního počasí.

Naši minitrilogii o vztahu výkonu a točivého momentu uzavřeme prostým vyjmenováním mechanismů ladění motorů pro různé typy výkonových charakteristik, které se provádí zejména časováním rozvodů, tvarem a délkou kanálů, výfukových potrubí, tvarem spalovacích prostorů, a dalšími zásahy do konstrukce motorů, přičemž navýšení parametrů v jedné oblasti obvykle vede ke ztrátě v jiné oblasti charakteristiky motoru, což už je však jiný příběh…