– Freno a Pressione Effettiva Media –

Abbiamo presentato i temi di Efficienza Termica e l’Efficienza Volumetrica come metodi per la stima della potenzialità di produzione di una data configurazione del motore.

La pressione effettiva media del freno (BMEP) è un altro parametro molto efficace per confrontare le prestazioni di un motore di un determinato tipo con un altro dello stesso tipo e per valutare la ragionevolezza delle richieste o dei requisiti di prestazione.

La definizione di BMEP è: la pressione media (media) che, SE imposta sui pistoni uniformemente dall’alto verso il basso di ogni corsa di potenza, produrrebbe la potenza misurata (freno).

Si noti che il BMEP è puramente teorico e non ha NULLA a che fare con le PRESSIONI EFFETTIVE DEL CILINDRO. È semplicemente uno strumento per valutare l’efficienza di un determinato motore a produrre coppia da una determinata cilindrata.

Osservando le equazioni 8-a e 8-b di seguito, puoi facilmente vedere che BMEP è semplicemente la coppia per pollice cubo di spostamento, moltiplicata per una costante. Infatti, molte persone di talento nel settore della progettazione e dello sviluppo del motore attualmente utilizzano coppia per pollice cubo (“rapporto di coppia”) invece di BMEP, evitando così quel noioso processo di moltiplicazione.

Se si conosce la coppia e la cilindrata di un motore, un modo molto pratico per calcolare BMEP è:

(Equazione 8-a, 4-Stroke del Motore)

(Equazione 8-b, Motore a 2 tempi)

(SE si preferisce la lettura della pressione in Bar piuttosto che il PSI, basta dividere 14,5 PSI)

(SE siete interessati nella derivazione di tali relazioni, è spiegato in fondo a questa pagina.)

Un’uscita di coppia di 1.0 lb-ft per pollice cubico di spostamento in un motore a 4 tempi equivale a un BMEP di 150.8 psi. In un motore a 2 tempi, quello stesso 1.0 lb-ft di coppia per pollice cubo è un BMEP di 75.4 psi. (La derivazione di tale relazione è data al borttom di questa pagina.)

La discussione sul resto di questa pagina riguarda i motori a quattro tempi, ma si applica ugualmente ai motori a due tempi se si sostituisce semplicemente 75.4 ovunque si veda 150.8.

Questo strumento è estremamente utile per valutare le prestazioni richieste per qualsiasi motore particolare. Ad esempio, i motori” angle-valve ” Lycoming IO-360 (200 CV, 360 CID) e IO-540 (300 CV, 540 CID) rendono la loro potenza nominale a 2700 giri / min. A quel RPM (2700), la potenza nominale richiede rispettivamente 389 lb-ft (200 CV) e 584 lb-ft (300 CV) di coppia. (Se non capisci quel calcolo, CLICCA QUI)

Da quei valori di coppia, è facile vedere (dall’equazione 8-a sopra) che entrambi i motori funzionano a un BMEP di circa 163 PSI (11,25 bar, o un “rapporto di coppia” di 1,08 lb-ft per pollice cubo) alla potenza di picco. Il BMEP alla coppia massima è leggermente maggiore.

Per una lunga durata (in un quadro di riferimento dell’aeromobile), aspirato naturalmente, SI (accensione a scintilla) a benzina, motore a due valvole per cilindro, pushrod, un BMEP oltre 204 PSI (14 bar, rapporto di coppia di 1,35) è abbastanza difficile da raggiungere e richiede un serio programma di sviluppo e componenti molto specializzati.

Vale la pena notare che un moderno motore CI (ad accensione spontanea) normalmente aspirato può facilmente produrre 15 bar di BMEP e diversi motori stradali turbocompressi superano abitualmente i 20,5 bar. È utile ricordare che BMEP è uno strumento utile per confrontare e valutare tipi simili di motori.

A scopo di confronto, diamo un’occhiata ai motori che sono comunemente ritenuti l’apice delle prestazioni del motore: Formula-1 (Grand Prix).

Un motore F1 è costruito appositamente ed essenzialmente senza restrizioni. Per la stagione 2006, le regole richiedevano un motore V8 di 90° da 2,4 litri di cilindrata (146,4 CID) con un alesaggio massimo di 98 mm (3.858) e una distanza alesaggio richiesta di 106,5 mm (4.193). La corsa risultante per raggiungere 2,4 litri è 39,75 mm (1.565) ed è realizzato con un albero motore a 180°. La lunghezza tipica dell’asta è di circa 102 mm (4,016 pollici), per un rapporto asta / corsa di circa 2,57.

Questi motori sono tipicamente un layout a 4 valvole per cilindro con due camme in testa per banca e molle pneumatiche. Oltre alle poche restrizioni sopra indicate, ci sono le seguenti restrizioni aggiuntive: (a) nessun composto di berillio, (b) nessun pistoni MMC, (c) nessun tubo di aspirazione a lunghezza variabile, (d) un iniettore per cilindro e (e) il requisito che un motore duri per due fine settimana di gara.

Alla fine della stagione 2006, la maggior parte di questi motori F1 correva fino a 20.000 giri / min in assetto di gara, e realizzati in prossimità di 750 CV. Un motore per il quale ho le cifre ha fatto un valore di potenza di picco di 755 CV a un sorprendente 19.250 giri / min. Con una potenza di picco di 755 CV, la coppia è di 206 lb-ft e la potenza di picco BMEP sarebbe di 212 psi. (14,63 bar). La coppia massima di 214 lb-ft si è verificata a 17.000 giri / min per un BMEP di 220 psi (15,18 bar). Non ci può essere alcun argomento che 212 psi a 19.250 giri / min sia davvero sorprendente.

Tuttavia, diamo un’occhiata a una tecnologia domestica sorprendente.

Il motore della NASCAR CUP Race è un propulsore severamente limitato, presumibilmente derivato da componenti di “produzione”, anche se a partire dal 2010, tutti e 4 i motori in competizione a quel livello (Chevy, Dodge, Ford, Toyota) sono motori da corsa appositamente progettati specificamente per il libro delle regole della NASCAR.

Per regolamento, i motori CUP hanno una cilindrata massima di 358 CI (5,87 L). Devono utilizzare un blocco V8 a 90 ° in ghisa con una distanza alesaggio di 4.500 pollici e un albero motore in acciaio a 90°. Le teste dei cilindri sono appositamente progettate e altamente sviluppate, limitate a due valvole per cilindro, angoli specifici delle valvole, altezze specifiche del pavimento del porto, ecc.. Le valvole sono azionate da un singolo albero a camme a punteria piatta (esatto, ancora senza rulli a partire dal 2014; ma sono passati ai rulli a camme per la stagione 2015) e da una valvola a leva / bilanciere / bobina-molla. È ulteriormente zoppicato dal requisito di un singolo carburatore a quattro cilindri (fino al 2011) e ora (2012), da un corpo farfallato a 4 cilindri e da un corridore individuale EFI. L’accensione a controllo elettronico è consentita (a partire dal 2012) e ci sono requisiti minimi di peso per le bielle e i pistoni. Maggiori dettagli su questi motori possono essere trovati QUI.)

Come funzionano questi motori CUP? Alla fine della stagione 2014, i motori di un importante produttore di motori NASCAR producevano nel quartiere di 880 CV a circa 9000 giri / min, e operano a un massimo di giri / min in prossimità di 9400 giri / min.

Si consideri il fatto che, per produrre 880 CV a 9000 giri / min, richiede 513 lb-ft di coppia, per un BMEP di potenza di picco di quasi 216 PSI (14.92 bar, rapporto di coppia di 1,43). La coppia massima per lo stesso motore era tipicamente di circa 535 lb-ft a 7800 giri / min, per un picco BMEP di oltre 226 psi (15,6 bar, rapporto di coppia di 1,50).

QUESTO è davvero sorprendente.

(Ora sto divagando per un breve sproloquio.

E ‘ altamente deplorevole che, per la stagione 2015, la NASCAR braintrust ha deciso di legiferare questi incredibili motori fuori dall’esistenza. Per la stagione 2015, questi stessi motori saranno dotati di un “Distanziale conico” tra il corpo farfallato e il plenum di aspirazione. Questo distanziatore ammonta a poco più di una piastra limitatore di fantasia, che limita ulteriormente la quantità di aria che il motore può ingerire. Tale cambiamento regola immediatamente ridotto la potenza del motore a circa 725 CV.

E mentre i funzionari NASCAR parlano di “ridurre il costo delle corse”, questo cambiamento di regole ha richiesto un altro enorme dispendio di denaro R& D per sviluppare un nuovo pacchetto di motori (camera di combustione, porte, corridori del collettore, configurazione del plenum, profili camma, molle delle valvole, ecc. ecc. etc) per ottimizzare le prestazioni di questo nuovo (diverso) pacchetto motore.)

OK, ora torna a BMEP……..

Confronta le figure del motore F1 con le figure del motore CUP per ottenere un’immagine più vivida di quanto siano intelligenti questi ragazzi del motore CUP. Inoltre, si consideri il fatto che (a) un singolo motore deve essere utilizzato per ogni incontro di gara, che comprende almeno due sessioni di prove, una sessione di qualifica e la gara, che può essere lunga fino a 600 miglia, e (b) i motori Penske-Dodge che hanno vinto il campionato 2012 non hanno subito un singolo guasto al motore per tutta la stagione 2012

Detto questo, i recenti vincitori del concorso annuale Engine Masters stanno raggiungendo oltre 16,9 bar BMEP (245 psi, rapporto di coppia di 1,63 ! ) con motore pushrod a 2 valvole aspirato, alimentato a benzina, SI. TUTTAVIA, i costruttori ammettono liberamente che, a causa dei profili delle camme molto aggressivi, dei rapporti del bilanciere, dei numeri di sollevamento delle valvole lordi e di altri compromessi volti a massimizzare il BMEP, questi motori hanno aspettative di vita relativamente brevi.

NOTA: Il 12 gennaio 2015, abbiamo corretto il seguente paragrafo, grazie all’astuto lettore Dan Nicoson, che mi ha fatto notare che l’offerta del motore di Blanton era un Ford V6 da 3,8 litri, non un motore da 2,8 litri come precedentemente affermato nel seguente breve sproloquio su assurde affermazioni di potenza.

Per apprezzare il valore del BMEP (o coppia per pollice cubo) come strumento di valutazione del reclamo del motore, supponiamo che qualcuno si offra di venderti un 3.8 litro (232 pollice cubo) Ford V6 che presumibilmente fa 290 CV a 5000 RPM, ed è dotato di off-the-shelf teste in alluminio aftermarket, un collettore di aspirazione off-the-shelf e un albero a camme “performance”.

È possibile valutare la ragionevolezza di questa affermazione di potenza calcolando (a) che 290 CV a 5000 giri / min richiedono circa 305 lb-ft di coppia (290 x 5252 ÷ 5000) e (b) che 305 lb-ft. di coppia da 232 pollici cubici richiede un BMEP di 198 PSI (150,8 x 305 ÷ 198), o un rapporto di coppia di 1,31.

Quindi respingeresti questa affermazione come assurda perché sai che se un ragazzo potesse fare la magia necessaria per creare un rapporto di coppia di 1,31 con il design della testa OEM, il design della valvola OEM e un singolo carburatore centrale, sarebbe rinomato come uno dei guru del motore preminente nel mondo. Si potrebbe anche ipotizzare che sia stata sviluppata una nuova unità di potenza pubblicizzata (“blantonpower”).

A titolo di ulteriore confronto, al fine di ottenere un valore BMEP di 214 PSI (coppia misurata di 583 lb-ft per un rapporto di coppia di 1.42, ) dal nostro GEN-1 aircraft V8, abbiamo dovuto utilizzare teste estremamente ben sviluppate, ad alta fluidità, ad alta velocità, un sistema di aspirazione / plenum di equal-length-runner appositamente sviluppato, un sistema di iniezione del carburante sviluppato su misura, profili a camme a rulli molto ben sviluppati e componenti del treno valvole, insieme a una serie di componenti molto specializzati che

DERIVAZIONE DELLE EQUAZIONI BMEP

La definizione di BMEP (Brake Mean Effective Pressure), come precedentemente indicato nella parte superiore di questa pagina, è: “la pressione media (media) che, se imposta sui pistoni in modo uniforme dall’alto verso il basso di ogni corsa di potenza, produrrebbe la potenza misurata (freno)”. ANCORA UNA VOLTA, SI NOTI che BMEP è puramente teorico e non ha nulla a che fare con le pressioni effettive del cilindro.

Se mettiamo la definizione in forma matematica, otteniamo:,

HP = BMEP x area pistone x (corsa / 12) x RPM x potenza-impulsi-per-giro / 33000

Lavorando attraverso questa equazione in termini di un motore monocilindrico, BMEP (in PSI) moltiplicato per area pistone (pollici quadrati) dà la forza media applicata al pistone durante la corsa di potenza. Moltiplicando quella forza per la corsa (pollici divisi per 12, che cambia le unità in piedi) si ottiene il LAVORO netto (in libbre) prodotto dal pistone che si sposta dal PMS al BDC con il BMEP esercitato su di esso durante quel movimento. (Chiaramente questo non è un tentativo di rappresentare la realtà nella camera di combustione. Come affermato in precedenza, BMEP è semplicemente uno strumento utile per confrontare e valutare le prestazioni del motore.)

Successivamente, la potenza è definita come tempo di lavoro per unità. Pertanto, moltiplicando il LAVORO (ft-lbs) per il numero di giri, quindi moltiplicando per potenza-impulsi-per-giro (PPR) dà la potenza netta (freno) (piedi-libbre per minuto in questo esempio) prodotta da un cilindro. (In un motore monocilindrico, PPR è 1 per un motore a 2 tempi o 1/2 per un motore a 4 tempi.

Poiché una POTENZA è definita come 33.000 foot-pounds-of-work-per-minute, dividendo il LAVORO (ft-lbs) per 33.000 cambia le unità da foot-pounds-per-minute a HP.

Poiché è chiaro che l’area del pistone corsa x è lo spostamento di un cilindro (in pollici cubici), l’equazione può essere semplificata per:

HP = BMEP x (spostamento / 12) x RPM x alimentazione di impulsi per rivoluzione / 33000

Potenza è definita come:

HP = Coppia x GIRI / min / 5252

Sostituendo l’equazione nella precedente dà:

Coppia x GIRI / min / 5252 = BMEP x (spostamento / 12) x RPM x PPR / 33000

Ridurre l’equazione si ottiene:

BMEP = (Coppia x 12 x 33,000 / 5252) / (Spostamento x PPR)

Valutare le costanti, 12 x 33,000 / 5252 = 75.39985, che può essere approssimata da 75.4. Semplificando nuovamente l’equazione si ottiene:

BMEP = (Coppia x 75.4) / (Spostamento x PPR)

È anche chiaro che poiché l’equazione include PPR ( Impulsi di potenza per giro ), si applica ai motori con qualsiasi numero di cilindri utilizzando la cilindrata totale, la coppia frenante totale e la PPR corretta.

Supponiamo, ad esempio, di aver misurato 14,45 lb-ft di coppia da un motore monocilindrico a 2 tempi da 125 cc (7,625 CID) a 12.950 giri / min, avresti 35,63 CV (285 CV per litro, davvero impressionante). Il BMEP sarebbe:

BMEP = (14.45 x 75.4) / (7.625 x 1) = 142.9 psi (9.85 bar)

Che BMEP (9.85 bar) è un numero impressionante per un motore a 2 tempi a pistoni.

Tuttavia, supponiamo che qualcuno abbia affermato di fare la stessa coppia da un motore monocilindrico a 4 tempi da 125 cc a 12.950 giri / min. La potenza sarebbe la stessa (35,63 CV, o 285 CV per litro). La densità di potenza non avrebbe necessariamente innescato allarmi, (i motori 2008 F1 V8 da 2,4 litri si avvicinavano a 315 CV per litro), ma il BMEP richiesto causerebbe che la pretesa sia considerata altamente discutibile:

BMEP = (14,45 x 75,4) / (7,625 x 1/2) = 285,8 psi (19,7 bar)

Che BMEP (19.7 bar) è chiaramente assurdo per un motore aspirato a 4 tempi, alimentato a benzina con accensione a scintilla (SI). Il professor Gordon Blair ha dichiarato che il superamento di 15 bar di BMEP in un motore N/A è praticamente impossibile, ma è stato qualche anno fa. I motori “aperti” della NASCAR Cup, prima dell’idiozia del distanziatore conico “a riduzione dei costi”, si avvicinavano a 15,6 bar.

DIFFERENZE A DUE E QUATTRO TEMPI

Chiaramente, la differenza nel calcolo del BMEP per motori a 2 e 4 tempi è semplicemente un fattore di 2, a causa del fatto che un cilindro a 2 tempi spara una volta per giro mentre un motore a 4 tempi spara solo una volta per due giri. Le equazioni possono essere semplificate ulteriormente incorporando quel fattore PPR nella costante 75.4 ed eliminando PPR dall’equazione, rendendo quindi la costante per un motore a 4 tempi 2 x 75.4 = 150.8. Ciò produce le equazioni mostrate nella parte superiore di questo articolo, che utilizzano la cilindrata completa del motore e la coppia misurata.

(Equazione 8-a, 4-Stroke del Motore)

(Equazione 8-b, Motore a 2 tempi)