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29-11-2004, 19:30 | #1 |
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Città: Seregno (MI): Grappeggia (ora non c'è più) e Dell'Orto Carburatori(mortacci, pure quello hanno levato), avete presente?
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Diesel vs Benzina [56k warning - 1,3MB di immagini]
Il diesel ha una erogazione migliore solo se facciamo il
confronto a pari numero di giri. Mentre è evidente che in assoluto l'erogazione migliore è quella del benzina. Immagino che finora ci siano state almeno un migliaio di tread su questo argomento: il confronto tra le prestazioni dei motori a ciclo diesel e quelli a ciclo otto. Dato che anche a me viene rivolta molto spesso la domanda su quale sia il migliore, mi sono posto una serie di domande per trovare una mia risposta a quella principale. E da buon ingegnere la miarisposta è: dipende. Adesso spiegherò bene cosa intendo dire, facendo anche dei calcoli concreti in modo che si parli di qualcosa di tangibile. Incominciamo con la fisica del problema, che già da sola mostra alcuni importanti risvolti su cui c'è molta confusione. Quando siamo su di una vettura in movimento le prestazioni che noi avvertiamo come spinta del motore si possono ricondurre quantitativamente all'accelerazione, intesa come tasso di variazione della velocità del veicolo nell'unità di tempo. La nota legge della dinamica F=m*a ci dice che la forza che spinge la vettura è proporzionale alla sua accelerazione attraverso la massa del veicolo stesso. Riscrivendola per videnziare l'accelerazione che è quello che a noi interessa otteniamo F --- = a m Anche la forza F che spinge la vettura può essere ricavata da una semplicissima e generalissima formula della fisica nota a tutti: P=F*v, cioè la potenza è uguale al prodotto tra la forza che spinge la vettura e la velocità a cui la vettura si sposta. La potenza che consideriamo è quella disponibile alle ruote. Trascurando le perdite dovute agli attriti della trasmissione questa potenza alle ruote è la potenza che viene fornita dal motore, a cui va poi sottratta la potenza assorbita dall'avanzamento della vettura. Mettiamo anche qui in evidenza il termine che ci interessa, cioè la forza P --- =a v Sostituiamo questo valore della forza nella formula dell'accelerazione e otteniamo P ----- = a v*m Questa è la formula che ci interessa e che mostra subito la prima cosa su cui tantissima gente fa confusione: la coppia del motore non ha alcuna influenza diretta sulle prestazioni delle automobili. E' la sola potenza che il motore è in grado di fornire a quella velocità della vettura a determinare l'accelerazione. Il valore di coppia entra solo per via indiretta come fattore della potenza. Adesso mostrerò con un esempio numerico questo fatto. Consideriamo una bella station wagon da famiglia (ho scelto questo tipo di auto perchè avevo sotto mano dei dati comodi) su cui si possono montare in alternativa o un diesel o un benzina, entrambi di 1800-2000cc della potenza di 100kW. Riporto qui le caratteristiche di erogazione per entrambi i propulsori. Figura1: diagramma delle caratteristiche dei motori così come lo si trova sulle riviste Inoltre bisogna considerare le masse delle due vetture in ordine di marcia con guidatore massa benzina 1600kg massa diesel 1650kg A questo punto ci serve anche il dato relativo alla velocità massima raggiungibile dalla vettura, il quale ci servirà per calcolare i rapporti della trasmissione. Dalle leggi della dinamica del veicolo sappiamo che, con ottima approssimazione, la potenza assorbita dall'avanzamento del veicolo a velocità costante a causa della resistenza aerodinamica e di rotolamento è P(assorbita)=A*v^3 + B*v dove v è la velocità del veicolo, A e B sono due coefficienti sperimentali che dipendono appunto da rotolamento e aerodinamica. La velocità massima si avrà quando tutta la potenza del motore sarà assorbita dall'avanzamento P(max)=A*vmax^3 + B*vmax da questa formula ricaviamo la massima velocità raggiungibile dall'auto con un motore di 100kW, che nel nosto caso è vmax = 206km/h Con questo dato possiamo calcolare il rapporto di trasmissione corrispondente alla V marcia, in modo tale che a 206km/h il motore sia al regime di potenza massima. Il rapporto della I marcia invece si calcola usualmente per fare in modo che l'auto viaggi a circa 7km/h con il motore a 1000giri/min. Questo per consentire la marcia in colonna a bassa velocità senza dover continuamente sfrizionare. Gli altri rapporti li calcoliamo in modo che siano equispaziati. Adesso che abbiamo dimensionato i rapporti della trasmissione possiamo calcolare la forza che le due vetture possono mettere, almeno in via teorica, a terra alle varie velocità di marcia Figura2: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a benzina.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 100% e cambia marcia al massimo dei giri Figura3: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a diesel.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 100% e cambia marcia al massimo dei giri Se si guarda a questi diagrammi si vede che l'andamento della forza ha una forma uguale alla curva di coppia in ogni rapporto. Quindi una influenza della curva di coppia sulle prestazioni c'è. Ma conta solo la forma della curva, il valore in Nm (o kgm se siete tradizionalisti) non ha la minima influenza. E questo lo si vede bene sovrapponendo i due diagrammi della forza massima disponibile. Figura4: diagramma forza velocità di entrambi i motori. Mostra quanta forza mettono a disposizione i motori ad ogni velocità.Entrambi i guidatori viaggiano col gas al 100% e cambiano marcia al massimo dei giri
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29-11-2004, 19:31 | #2 |
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Le curve sono in pratica sempre sovrapposte, tranne nel
primo tratto corrispondente alla prima marcia.Questo è dovuto al fatto che la prima del motore diesel è molto corta per consentire la vi viaggiare a basse velocità, e questo si riflette sulla forza disponibile. Ma tale forza non è utilizzabile in quanto supera abbondantemente il limite di aderenza delle ruote. Se guardiamo infatti alle accelerazioni massime realizzabili le curve sono sovrapposte a tutte le velocità Figura5: diagramma accelerazione velocità. Mostra quale accelerazione la vettura ha al variare della velocità.Entrambi i conducenti guidano con gas al 100% e cambiano marcia al regime massimo possibile il taglio a 5 m/s^2 (cioè circa 0,5g) è appunto legato al pattinamento, tenendo conto del fatto che abbiamo 2 ruote motrici, del trasferimento di carico in accelerazione, dell'aderenza delle ruote stesse. L'andamento delle accelerazioni determina un andamento delle velocità nel tempo di questo tipo. Figura6: diagramma velocità tempo.Mostra la progressione della velocità nel tempo.Entrambi i conducenti guidano con gas al 100% e cambiano marcia al regime massimo possibile Questa figura rappresenta l'andamento della velocità delle due vetture in caso di sfruttamento delle prestazioni massime. Il fatto che ad esempio il tempo 0-100 sia di soli 8 secondi è dovuto al fatto che andrebbero sommati anche i tempi morti delle camiate, che sono almeno un paio di secondi. Quindi ad occhio e croce numericante tutto fila e rispetta quelli che sono i rilevamenti sperimentali. In conclusione le prestazioni massime sono assolutamente identiche. E questo concorda con quanto detto all'inizio, cioè che le prestazioni dipendono solo dalla potenza, cosa in cui i due motori si equivalgono. Ma allora perchè sembra evidente a tutti che il diesel abbia una spinta superiore nell'uso su strada? Anche questo è spiegabile e non è sbagliato. Nell'uso comune di tutti i giorni non si guida infatti cercando le massime prestazioni della vettura, ma, ragionevolmente, le accelerazioni vengono effettuate con gas parzializzato e cambiando rapporto ad orecchio, tenendo il motore entro i 3000giri/min. Se guardiamo l'andamento della forza disponibile nei vari rapporti Figura7: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a benzina.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 50% e cambia marcia a 3000giri Figura8: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a diesel.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 50% e cambia marcia a 3000giri
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29-11-2004, 19:32 | #3 |
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si trova che l'accelerazione della vettura diesel è nettamente
superiore a parità di gas dato dal guidatore, come si vede qui sotto Figura9 :diagramma accelerazione velocità. Mostra quale accelerazione la vettura ha al variare della velocità.Entrambi i conducenti guidano con gas al 50% e cambiano marcia a 3000giri/min Figura10:diagramma velocità tempo.Mostra la progressione della velocità nel tempo.Entrambi i conducenti guidano con gas al 50% e cambiano marcia a 3000giri/min O in altre parole il guidatore diesel deve premere meno l'acceleratore di quello benzina per avere la stessa accelerazione. Le figure sotto mostrano che le accelerazioni (fig 11) e le progressioni (fig 12) delle velocità sono simili per il benzina col gas all'80% e il diesel col gas al 50% Figura11:diagramma accelerazione velocità. Mostra quale accelerazione la vettura ha al variare della velocità.Il conducente diesel ha il gas al 50%,il conducente benzina ha il gas all'80%.Entrambi cambiano marcia a 3000giri/min Figura12:diagramma velocità tempo.Mostra la progressione della velocità nel tempo.Il conducente diesel ha il gas al 50%,il conducente benzina ha il gas all'80%.Entrambi cambiano marcia a 3000giri/min Ho quidi mostrato numericamente la sensazione di grande vigore del diesel. Ma come concilamo questo fatto con l'affermazione precedente che le prestazioni non dipendono dal valore di coppia? Questo esempio sembra appunto mostrare chiaramente che il diesel va forte perchè ha tanta coppia in basso. Questa è una contraddizione apparente, che dipende dal fatto che nell'esempio dell'uso normale i due motori sono usati in condizioni fortemente diverse. Infatti il range di regimi utilizzati è solo numericamente lo stesso per entrambi, cioè tra 2000 e 3000 giri al minuto. Range che è considerato medio basso dalla maggior parte dei guidatori. Questo corrisponde a verità nel caso del motore a benzina, in quanto sono regimi tra il 33 e il 50% del regime di massima potenza. Per il diesel invece corrisponde a un range tra il 50 e il 75% del regime di massima potenza. Quindi si tratta per il diesel di regimi medio alti in cui la POTENZA disponibile è molto elevata, mentre invece il motore a benzina è al di sotto dei regimi dove si esprime al meglio.
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29-11-2004, 19:32 | #4 |
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Se facciamo una prova in condizioni simili, dovremmo
prendere dei regimi medio alti anche per il motore a ciclo otto, cioè tra i 3000 e i 4500 giri al minuto, i quali sono equivalenti ai 2000-3000 giri per il diesel. Dalle figure sotto, specie la15 e la 16, si vede che le prestazioni tornano ad essere del tutto confrontabili Figura13: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a benzina.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 50% e cambia marcia a 4500giri (75% del regime di potenza massima) Figura14diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a diesel.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 50% e cambia marcia a 3000giri (75% del regime di potenza massima) Figura15diagramma accelerazione velocità. Mostra quale accelerazione la vettura ha al variare della velocità.Entrambi i conducenti guidano con gas al 50% e cambiano rapporto al 75% del regime di potenza massima Figura16: diagramma velocità tempo.Mostra la progressione della velocità nel tempo.Entrambi i conducenti guidano con gas al 50% e cambiano rapporto al 75% del regime di potenza massima
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(\_/) Mi nombre es Inigo Montoya, tu hai ucciso mi padre...preparate a morir! (°_°) (> <) Su strada non esiste la guida sportiva, esiste quella pericolosa Ultima modifica di aceto876 : 29-11-2004 alle 23:57. |
29-11-2004, 19:33 | #5 |
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Se invece facciamo una prova simile a regimi medio bassi,
ossia il 35-50% del regime di potenza massima, per entrabi (cioè 2000-3000 il benzina e 1350-2000 il diesel) e gas al 50% Figura17: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a benzina.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 50% e cambia marcia a 3000giri (50% del regime di potenza massima) Figura18: diagramma forza velocità nelle varie marce del motore a diesel.Mostra per ogni rapporto del cambio quale forza sia disponibile per spingere la vettura.La linea che li congiunge rappresenta l'andamento delle forze che vengono usate dal guidatore in queste condizioni.Il guidatore viaggia col gas al 50% e cambia marcia a 2000giri (50% del regime di potenza massima) Figura19: diagramma accelerazione velocità. Mostra quale accelerazione la vettura ha al variare della velocità.Entrambi i conducenti guidano con gas al 50% e cambiano marcia al 50% del regime di potanza massima Figura20: diagramma velocità tempo.Mostra la progressione della velocità nel tempo.Entrambi i conducenti guidano con gas al 50% e cambiano marcia al 50% del regime di potanza massima
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29-11-2004, 19:33 | #6 |
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In questo caso invece è il diesel ad essere pesantemente
svantaggiato dal fatto che il turbo entra a regimi superiori al 50% e quindi a regimi medio bassi il motore è asfitico. La cosa è evidentissima se guardiamo le curve di potenza correttamente adimensionalizzate rispetto al regime di potenza massima. Figura21: Curve di potenza tracciate relativamente al regime di potenza massima A questo punto, guardando la figura 21, trovo che sia assolutamente sbagliato parlare di erogazione migliore per il diesel, in quanto quella del motore a ciclo otto è evidentemente o alla pari (ai regimi medio-alti) o nettamente sopra (regimi medio-bassi). L'equivoco in conclusione nasce dal fatto che il confronto di solito è fatto in condizioni impari ed estremamente favorevoli alla supremazia del diesel. Con questo non sto dicendo che il diesel sia un pessimo motore, anzi. Il diesel appare superiore nell'uso comune in quanto dà il meglio di sè proprio in quelle condizioni, mentre il motore a benzina è lontano dalla zona migliore. In altre parole il diesel ha una erogazione migliore se facciamo il confronto a pari numero di giri. Mentre è evidente che in assoluto l'erogazione migliore è quella del benzina. Infatti il motore a benzina, oltre ad avere una curva di potenza più sostenuta ai regimi bassi (cioè entro il 50% del regime di potenza massima) come mostrato nella figura 21, ha anche una maggiore estensione delle curve stesse benzina: nmax -------- = 8 nmin diesel: nmax -------- = 6 nmin Spero di avere illustrato la mia posizione in modo comprensibile, e di aver aiutato anche voi a vedere la mia idea che è un po' diversa dalle solite Nota finale: le curve presentate sono state calcolate con un noto foglio di calcolo partendo dalle curve in figura 1 . Non faccio nessun riferimento ai consumi, dove il diesel eccelle senza dubbio. Ma d'altra parte questo è al di fuori di ogni dubbio, e non penso che la mia opinione possa essere innovativa. Ditemi che ne pensate di tutta la faccenda.
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29-11-2004, 19:56 | #7 |
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Solo una parola.... complimenti...... dopo me lo leggo con calma...ciao!
PHCV |
29-11-2004, 21:43 | #8 |
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Alcune imprecisioni :
il turbo sul diesel comincia a spingere anche già dal minimo, a differenza dei turbo benzina. Non è detto che la marcia più alta porta automaticamente la velocità massima alla potenza massima, questa è una scelta del progettista. In ogni modo, come ben sai, la curva della potenza massima non è altro che la coppia max moltiplicato x il numero di giri, (scusami se non ti faccio la dimostrazione..) la potenza del diesel in ogni modo oltre i 4000 g/m crolla inesorabilmente, laddove invece il motore a benzina può ancora dare accelerazione fino ai 6000 g/m Comunque è il motore Diesel che ha più potenza ai regimi medio bassi e non il motore a benzina Good Luck ! Ultima modifica di Goldrake_xyz : 29-11-2004 alle 21:50. |
29-11-2004, 22:21 | #9 | ||||||
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La forma della curva di coppia invece è importante. Averla "piena" significa avere una spinta omogenea a tutti regimi. Quote:
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29-11-2004, 22:47 | #10 |
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chiarissimo
complimenti
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29-11-2004, 23:24 | #11 | |||
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30-11-2004, 00:52 | #13 | ||
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30-11-2004, 01:19 | #14 | ||
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Il benzina con 2000 giri da una spinta più sfruttabile del diesel, che infatti funziona meglio con cambi più frazionati (6 marce) |
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30-11-2004, 10:09 | #15 |
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Il grande puffo ha sempre ragione. Bisognerebbe introdurre il momento d'inerzia del motore, che può essere poi trasformato in una massa traslante aggiuntiva all'inerzia del veicolo passando per i vari rapporti del cambio.
Stamattina ci ho pensato un attimo. I turbodiesel del giorno d'oggi non sono più così pachidermici come lo erano una volta. Nel senso che hanno una costruzione molto più leggera, anche in virtù del fatto che sono calcolati per chilometraggi tutto sommato paragonabili a quelli di un motore a benzina. Quindi non sono più così sovradimensionati come un tempo ( cosa che faceva del diesel un motore indistruttibile ). I maggiori carichi di pressione li rendono comunque un poì "più pesanti" come costruzione e quindi come inerzia rispetto al motore otto. Dato che però il diesel spinge rapporti in assoluto più lunghi, diciamo anche del 50% a causa della differenza dei giri massimi, la differenza di massa inerziale equivalente complessiva non credo sia così grande. O in ogni caso questo fatto dei rapporti lunghi fa sì che il problema sia più ridotto, e che il mio "modello" semplificato non sia così approssimato da essere non significativo. Ti metto i rapporti del cambio che mi sono venuti fuori. Penso che le differenze maggiori si avrebbero nei primi 2 rapporti che sono molto simili tra benzina e diesel. Ma forse solo in prima. Perchè in un caso reale la seconda marcia del diesel sarebbe più lunga in modo da poter poi arrivare ai classici 100km/h in terza (evitando cioè un cambio marcia e quindi di aggiungere un secondo al tempo 0-100) Se hai sotto mano dei valori plausibili di momento d'inerzia per i due casi proverò, quando avrò tempo, ad aggiungerli.Così vediamo che salta fuori.
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30-11-2004, 10:35 | #16 | |
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30-11-2004, 11:03 | #17 | |
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D'altra parte me lo merito perchè mi rendo conto di avere scritto in modo un tantino saccente e accademico per un forum. Chiedo scusa. Ho un po' modificato le parti più fastidiose e ho tolto il grassetto.
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30-11-2004, 14:52 | #18 | |
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30-11-2004, 19:16 | #19 |
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Ho provato a cercare qualcosa sul momento d'inerzia dei due motori. Ma dati "pronti" non ne ho trovati. Quindi ho cercato di stimare le due grandezze con qualche formulina Ho trovato questa
il calcolo va effettuato nelle condizioni più irregolari, cioè ai bassi giri e a pieno carico. Siccome però la coppia al minimo ce l'ha più alta il motore a benzina, finisce ad essere lui quello più "irregolare" e quindi è lui a richiedere un momento d'inerzia più elevato. Quindi dato che ha pure i rapporti più corti, la massa inerziale equivalente risulta più alta per il benzina che per il diesel. Dato che la cosa mi pare strana, non mi metto a fare altri calcoli. Comunque guardando la formula è ovvio che dovesse venire così. A parità di irregolarità del ciclo (e non ho ragone di credere che sia radicalmente diverso questo valore) il numeratore è direttamente proporzionale alla coppia del motore. Probabilmente c'è qualche altro criterio. Oppure i due cicli hanno irregolarità estremamente diverse e questo ragguaglia il tutto. Se avete notizie di queste robe, postate. Una cosa è certa, se J è nell'ordine di 0,15 Nms^2 come risulta a me, jumper aveva troppa ragione nel dire che l'inerzia del motore è influente.
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30-11-2004, 23:47 | #20 |
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Ho aggiunto l'inerzia del motore. Se 0,15Nms^2 è una grandezza
plausibile, questa non influenza granchè le prestazioni.Le curve sono assolutamente sovrapposte. Metto qui il caso delle cambiate a 3000 giri per entrambe, perchè è quello in cui benzina e diesel hanno andamenti distinti. Altrimenti con 4 curve sovrapposte non si vede niente
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