轉速 & 扭力 - 機車

這種主題講三天三夜開一門課也講不完啊

※ 引述《ketbra ( )》之銘言：
: 不好意思，不懂車子原理...
: 已經爬文也搜尋過網路資料
: 還是想請教基本觀念，關於轉速&扭力的問題
: === 定義 ===
: 馬力: 引擎總輸出功率(kW or ps)
: 扭力: 活塞運動的出力矩, 驅動力矩(kg*m)
: 轉速: 活塞推動曲軸的轉速(rpm)
: (先只探討引擎，不考慮齒比造成輪胎的扭力與轉速改變)

那麼請先檢視一下，你對功率、力(矩)跟轉速的觀念夠完整嗎?

不是單純名詞的問題，而是這些物理量背後的定義你瞭解到什麼程度?


如果先不考慮變速系統的影響(換句話你不能用這個結果去推導有變速系統的實際狀況)
: === 問題 ===
: (1) 轉速初期(低轉速時)會受扭力影響嗎?
: 我的想法是活塞扭力越大，帶動曲軸越快旋轉一圈，所以轉速快
: 這樣有錯嗎?
瞬間扭力大，曲軸的瞬間角加速度也會大

在直線運動時，F=ma，在轉動狀況下可以用 τ = I α 來表示

τ:力矩， I :轉動慣量， α:角加速度

但實際情形更複雜一些

因為活塞是直線運動，活塞受到爆炸時氣體膨脹的推力往下，受到的是直線的力

要用F=ma來看活塞向下的加速度

而活塞向下推動曲軸旋轉，曲軸旋轉的角加速度要用 τ = I α 來看

實際上對單缸引擎來說，活塞受到向下的力不是恆定的，就算在動力行程這180度裡

活塞受到向下的推力也不是固定的，而活塞連桿跟曲軸的夾角會影響曲軸當下受到的力

而力再乘上曲軸行程(力臂)會是力矩，因此這個力矩(紐力)也不是固定的

所以請記得用平均的觀念來看引擎標示的輸出扭力

總之扭力的直接來源是活塞受到的向下推力，而這個推力的來源直接來自於油氣爆炸

所以要有一個觀念是，當下引擎輸出扭力的大小，跟當下參與燃燒的油氣量有直接相關

甚至在不考慮其他條件的前提下

進入引擎燃燒室燃燒的油氣質量跟扭力曲線會是一致的
(實際上還有燃燒控制的問題，沒辦法這麼單純)

所以如果從低轉到高轉測出引擎填充效率曲線

也就可以大概看出扭力曲線會是長什麼樣子


回到樓主的問題，假設在低轉速狀況下，此時輸出的扭力越大，加速度是否越快?

答案是肯定的

: (2) 那轉速後期(高轉速時)不受扭力影響? 是受點火次數影響?
: 但這樣又跟問題(1)矛盾?

扭力永遠是車身前進直接的力的來源，不存在所謂高轉低轉有沒有影響

當下沒有扭力輸出，車子就沒有向前的力，直接受慣性跟阻力影響而已

點火次數在這裡不是你要探討的問題，那是前面提到的燃燒控制

在這裡我們都先假設燃燒狀況是固定的了，引擎要轉到這個轉速，點火頻率自然要跟得上


: (3) 如果問題(1)是對的，
: "車子起步時靠大扭力帶動轉速，才有大馬力加速"
: 這敘述是對的嗎?

扭力是車身直接輸出的力，馬力是評估作功能力

不管你要看起步加速還是看極速，都是看作功能力

你可以用扭力曲線來評估車身的加速跟極速能力，但必須同時把轉速也一併考慮

而扭力 x 轉速 = 馬力，同時看前面兩個變因，就等同於直接看馬力曲線是一樣的意思


或是我們從另外一個角度來看

我們知道讓車身加速，等於於提供車身動能 (Ek = 1/2 mv^2)

而加速能力可以這樣看，從時速0加速到100要多久?

所以就可以算代入動能公式知道車身從時速0(動能0)，加速到100，需要提供

Ek = 1/2 m* 100^2，=5000m 的能量(焦耳)，或是說要對車身作功5000m焦耳

那麼給車身5000m 焦耳的能量需要多久? 除上功率就是時間了

所以直接用功率(馬力)來評估加速度，會比用扭力要來得簡單很多

當然如果加速過程引擎的轉速不一樣，就不能用最大馬力這個數據來看

必須用馬力曲線看曲線下的積分值。


極速的狀況可以看成對抗阻力，極速是因為此時的馬力跟阻力作功(負功)相等

所以馬力輸出作功用來抵消阻力已經相等，作功無法再增加車身動能，速度就上不去了

所以評估極速也是看馬力


: (4) 怎麼解釋扭力與轉速的關係?
: 一般而言，轉速低~中~高, 扭力上升~飽和~下降
: 有查到高轉速扭力下降原因 (1)凸輪軸限制?! (2)燃燒效率下降?!
: 總結來說，搞不懂轉速被什麼影響，也不懂扭力與轉速的關係(雞與蛋?!)
: 謝謝大大的解惑...很低端的問題..


扭力跟轉速沒有太大關係

前面說到扭力曲線可以看作引擎的填充曲線

因為很多因素，在不同轉速時引擎能吸入的油氣量是不一定的

所以不同的引擎轉速下，能產生的最大扭力就不相同

把轉速跟當下能輸出的最大扭力作圖就會得到扭力曲線

而填充曲線的差異主要來自於引擎進排氣的設定

但轉速提升後因為物理限制，填充效率就是會下降

譬如氣門開啟時間變短(凸輪軸限制)，能進排氣的時間也變短，油氣來不及進入燃燒室


空氣是有質量的，所以當氣門開啟，活塞下行產生壓力差吸引空氣(油氣)流入燃燒室

空氣受到壓力差產生的推力往引擎移動，因為空氣有質量，所以空氣也需要時間來加速

當轉速越來越高時，空氣還沒來得及開始加速，氣門又關起來了

如此一來進入燃燒室的空氣(油氣)量越來越少，相對的扭力自然也下降了


燃燒控制也是一個問題，轉速越高，能讓油氣燃燒的時間也越短

因為扭力直接來源是爆炸壓力推動活塞下行，油氣燃燒的時間不夠，推力自然也不足

相對轉換到曲軸上的扭力也會下降


更進一步可以看引擎內的阻力也會隨著轉速上升而上升，我們在看引擎輸出時

仍然必須把阻力扣掉才是實際上能得到的輸出



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