Come si misura la potenza di un motore?

[xdeix]

Si sta discutendo parecchio della cosa, su un thread che parla di tutt'altro, quindi per non dirottarlo, ne apro uno apposito.

Potrà essere una lettura lunga e noiosa ma credo anche e soprattutto molto utile e precisa.


Attenzione!
non sto parlando di come si prepara un'auto.
non sto parlando di come si possa comparare la potenza relativa di due mezzi con metodi piu' o meno empirici, approssimativi o rilevanti.

Sto parlando di come fare a misurare (un termine che ha semanticamente un significato esatto in termini scientifici) in modo scientifico (l'unico che vale quando si parla) la potenza di un motore.
Esistono solo due modi:

Banco Prova Motori, che misura direttamente la potenza all'albero in condizioni standard.
E' il modo migliore per misurare la potenza all'albero.

Banco a Rulli prova auto, che misura la potenza all'asse, la potenza dissipata dalla trasmissione, e per differenza elabora la potenza all'albero, poi corretta per portare le condizioni ambientali di prova alle condizioni ambientali standard.
Il banco a rulli ha problematiche di interfaccia tra elemento misurato (motore) ed elemento misurante che sono state gia' ampiamente illustrate molto meglio di quanto potrei fare io in un apposito articolo dal sig. Tanturri, sia pubblicato qui che sulla rivista Overboost (se non ricordo male, comunque e' irrilevante).

Tutto il resto sono metodi approssimativi se non addirittura chiacchiere da bar prive di utilita'.

Sfortunatamente provare un motore su un banco prova motori e' cosa costosa e complessa.

La validita' della prova naturalmente e' immutata indipendentemente dalla validita' della preparazione, che e' un discorso completamente diverso. Se misuro 200 cv al banco, il motore HA 200 cv. Punto.

Che poi possa essere stato preparato bene, o male, o che possa spaccare dopo 2 ore, o che durera' 2 milioni di km, e' irrilevante.
Si misura la potenza, e quella e' la potenza misurata.

Si puo' discutere della bonta' di una misura fatta su un banco a rulli.
Sfortunatamente, dato che questa qualita' puo' variare molto, non resta che
1) affidarsi al nome e competenza del misuratore
2) effettuare piu' misure diverse e considerare la potenza reale come una media di queste, togliendo eventualmente quelle che risultano palesemente falsate.

Dato che effettuare piu' misure costa, e' perfettamente accettabile effettuare una misura sola effettuata da qualcuno che sia competente e abbia un nome.
L'avere un nome non e' questione di moda, ma se uno ha un nome nel settore
1) ci tiene a mantenerlo, dunque difficilmente fara' qualcosa che lo rovina
2) se se lo e' guadagnato, non se l'e' guadagnato a caso.
Ma qui si scade nell'ambito dell'empirismo e dell'opinione.
Aggiungo che, ai fini di un dibattito chiaro, sereno e, soprattutto, utile, e' bene attenersi a una terminologia tecnica esatta.
Parlare di cavalli "Veri" in un dibattito tecnico che voglia appurare in modo scientifico questioni tecniche non significa niente.
I cavalli "Veri" in termini tecnici non esistono.
Esistono i cavalli all'albero.
Esistono i cavalli all'asse.
Esitono i cavalli misurati in condizioni standard (per un dato standard, basti citare DIN e SAE).
Quelli sono gli unici cavalli veri che esistono.
Il resto, scusate se sono cosi' "categorico", e' Bar Sport.
Se vogliamo fare Bar Sport, nulla in contrario. Basta che si sappia cosa si sta facendo.
Se vogliamo discutere tecnicamente, unico modo per capire di piu' (e capire cosa non si sta capendo), allora bisogna parlare tecnicamente.
Senza offesa per nessuno e senza assolutamente voler fare polemica con nessuno.
Qui sul forum c'e' un mucchio di gente che prepara auto professionalmente, e che puo' contribuire molto (fatti salvi i segreti del mestiere, immagino)

PRONTI VIA...

Riporto la spiegazione sulle varie potenze di un veicolo, fatta da un mio caro amico ingegnere meccanico molto preparato: cose comunque visionabili su libri di studio in materia.


L’automobile può essere vista come un sistema che sviluppa energia (motore) e che dissipa energia (tutto il resto). Pertanto ad esso si può applicare il “teorema delle potenze”:

Wm-Wr-Wp=dE/dt

i cui addendi sono:

1) Wm è la potenza motrice, ovvero la potenza erogata dal motore pari a Wm=Cm*ω, in cui Cm è la coppia motrice espressa in [Nm] e ω è la velocità di rotazione del motore espressa non in giri al minuto, ma in [rad/s] (prendete il corrispondente valore in giri/min, dividetelo per 60 e moltiplicatelo per 2π). Da qui riuscite anche a capire come si legge un diagramma di potenza e coppia di un motore: prendete un qualunque punto sulla curva di coppia, moltiplicatelo per il regime di rotazione corrispondente e vi calcolerete “giro per giro” la potenza erogata dal vostro motore.

2) Wr è la potenza resistente, che a sua volta è composta in questa maniera: Wr=Wr1+Wr2. Wr1 è la resistenza aerodinamica della vostra macchina ed è pari a 0,5*cx*(sezione frontale dell’auto)*(densità dell’aria)*(velocità dell’auto al cubo). Wr2 è la potenza assorbita dalle quattro gomme e vale per ciascuna ruota: (peso che grava su ogni ruota)*(coefficiente d’attrito tra gomma e asfalto)*(raggio della ruota)*(velocità angolare di rotazione della ruota).

3) Wp infine è la potenza persa (o dissipata). Anche qui esiste una formula per calcolare la potenza persa, e vale: Wp=(1-η)*We. η è il RENDIMENTO del sistema, e su questo ci tornerò dopo. We invece è la differenza tra la potenza erogata dal motore ed il prodotto del momento d’inerzia di ogni componente della trasmissione moltiplicato per la propria velocità angolare di rotazione e per la propria accelerazione angolare (in sostanza è la differenza tra la potenza fornita dal motore e quella necessaria per tenere in rotazione il volano, la frizione, l’albero di trasmissione, i differenziali, i semiassi, le ruote, i dischi dei freni… tutto ciò che “gira” insomma).

4) dE/dt è la derivata dell’energia cinetica posseduta dalla vostra auto in movimento e dai componenti in movimento interni ad essa (quelli elencati in pratica due righe sopra).

Torniamo ad η che abbiamo detto essere il rendimento del sistema, in questo caso di tutta la trasmissione, dal motore fino alla strada. Il rendimento è un valore che va da 0 ad 1 (o da 0% a 100%, come preferite). Un organo meccanico ideale ha rendimento pari ad 1 (cioè non dissipa potenza). Tuttavia l’organo meccanico ideale non esiste, in quanto parte della potenza in ingresso viene persa a causa degli attriti interni che generano calore e concorrono all’usura dei materiali. Il rendimento dell’intera trasmissione è pari al PRODOTTO dei rendimenti di ciascun organo meccanico. Facciamo un piccolo esempio per l’assale posteriore assumendo i seguenti rendimenti (per l’assale anteriore è la stessa cosa):

- cambio: η=95%
- differenziale centrale: η=98%
- differenziale posteriore: η=98%

Questo significa che il rendimento totale è: ηtot=0,95*0,98*0,98=0,91 =>91%!!

Provate ora a sostituire 0,91 nella formula che vi da Wp al punto 3… Vi rendete conto di come la potenza persa aumenti in maniera drammatica. Morale della favola: basta un componente con rendimento basso per influenzare pesantemente tutto il sistema.

Negli organi meccanici quali motore, cambio e differenziali il rendimento peggiora all’aumentare delle superfici di attrito interne ed all’aumentare della viscosità degli olii lubrificanti. Tanto per fare un esempio, un cambio a denti dritti da corsa ha un rendimento migliore di un cambio a denti elicoidali di serie, in quanto la superficie in presa è minore e vi è assenza di spinte assiali tra gli ingranaggi. Allo stesso tempo un differenziale centrale tipo Haldex (quello dell’Audi per intenderci) ha un rendimento migliore rispetto ad un classico Torsen, in quanto al posto di satelliti e planetari in rotazione fra loro (e quindi in strisciamento fra loro) vi è un pacco di frizioni a lamelle in bagno d’olio che bypassa il problema della potenza dissipata per attrito.

Tuttavia, come tutti sappiamo, la parte del leone riguardo alla perdita di potenza la fanno le gomme. Se date uno sguardo al secondo punto potete intuire facilmente che l’anello debole della catena (per quanto riguarda la potenza resistente generata da ciascuna ruota) è il coefficiente d’attrito tra ruota ed asfalto. Questo coefficiente altro non è che un numero che riassume in sé la larghezza della gomma, l’impronta a terra, il tipo di mescola, il tipo di asfalto, la pressione all’interno del pneumatico, la convergenza, la campanatura ecc. Tutto ciò che in sostanza concorre a creare aderenza. Montando gomme più larghe o montando le slick (o intervenendo in qualunque altra maniera), si altera anche questo coefficiente.

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Mi sembrava di essere stato sufficientemente chiaro su DI COSA SI STA PARLANDO e su DI COSA NON SI STA PARLANDO.

NON si sta parlando di chi va piu' forte.
NON si sta parlando di come valutare come l'auto va dopo aver modificato l'assetto.
NON si sta parlando di come cambia la qualita' dell'erogazione del motore dopo modifiche al motore.


Si parla di POTENZA del motore e come misurarla.

Siccome c'e' molta confusione, vediamo tanto per cominciare cosa e' la potenza.
La potenza e' l'energia sviluppata nell'unita' di tempo.
Nel sistema MKS la POTENZA si misura in WATT (W), dove

W = Joule / Sec.

Il Joule (J) e' l'unita' di energia, il secondo e' l'unita' di tempo.
Il Joule, a sua volta, e' espresso come la forza (in Newton) per la distanza su cui viene esercitata.

J = Kg x m^2 x sec^-2

Da cui ne deduciamo che

W= Kg x m^2 x s^-3

Dunque, vediamo che, si', un cronometro e' certamente uno strumento indispensabile per misurare la potenza, ma serve anche un dinamometro e un misuratore di lunghezza.
Ora, cosa unisce un misuratore di tempo con un misuratore di forza e di distanza?
Uhm...
Ehi... Un banco prova motori o un banco a rulli !!!!!
Certamente nota con precisione la circonferenza delle ruote, la massa dell'auto, e supponendo pari a zero lo slittamento delle ruote, cronometrando l'accelerazione del mezzo su una distanza nota da una velocita' nota a un'altra velocita' nota posso, con semplici calcoli, dedurre l'energia espressa dal mezzo e anche la coppia media, ma il vantaggio del banco prova e' che mi permette di farne un grafico esatto (con buona approssimazione) nel tempo.

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[xdeix]

Sempre il mio caro amico ingegnere mi ha fatto avere questa traduzione dal mensile tedesco "Sportauto" sui banchi di prova potenza.

TESTO

L’argomento sembra interessare non poco i nostri lettori: regolarmente riceviamo lettere ed e-mail che toccano sempre lo stesso tasto e ci pongono sempre la stessa domanda: perché sportauto non misura la potenza delle vetture provate? Dietro questa richiesta c’è evidentemente il sospetto che l’uno o l’altro costruttore o elaboratore non giochi alla luce del sole quando si tratta di valori di potenza e coppia.

Ovviamente non è che non ci siamo mai posti questa domanda. E’ più difficile discernere vantaggi e svantaggi derivanti da una simile misurazione di quanto non possa sembrare a prima vista. Effettivamente bisogna evidenziare una serie di problematiche e di punti di vista.

I lettori di sportauto sono critici e pretendono massima precisione riguardo all’esattezza delle rilevazioni ed alla loro verificabilità. I valori ottenuti sul banco prova sono quindi realistici? Dove stanno eventualmente i problemi? Prendendo spunto da tutte queste domande la nostra redazione è scesa in campo. L’oggetto della nostra prova è un’RS4 gialla che ha dovuto sostenere il nostro test di durata di 100.000km e l’abbiamo poi messa sul banco prova.

Come avviene la misurazione della potenza? Un banco prova moderno per vetture a trazione integrale funziona tramite un freno ad induzione. Ognuna delle quattro ruote gira su un proprio rullo. Nella simulazione di marcia, tramite il freno si registra la forza di trazione esercitata dalle ruote ad una certa velocità predeterminata in condizioni di massima accelerazione e questi dati vengono salvati su computer. Dopodichè il freno viene allentato e si passa ad una rilevazione successiva.

La somma dei vari punti in cui si è effettuata la misurazione dà luogo ad un diagramma. Tutta la procedura termina nel giro di pochi minuti. L’auto viene posta sul banco con il motore in temperatura ed imbragata tramite alcune corde di sicurezza.

I dati rilevati dal freno vengono inviati al computer che a questo punto necessita solamente della velocità di rotazione ed della temperatura dell’aria in aspirazione. Le rilevazioni partono da una velocità predeterminata, di norma attorno ai 50km/h, e con innestata sempre la penultima marcia, la quinta nel caso dell’RS4.

Nel frastuono generale, la macchina viene fatta accelerare al massimo fino a che a circa 7200RPM non interviene il limitatore. Su strada questo corrisponde ad una velocità di circa 250km/h. Teoricamente su un banco simile è possibile simulare velocità di oltre 300km/h.

Questa prima fase della misurazione serve per stabilire la cosiddetta potenza alla ruota. Ovvero si rileva la potenza che giunge sulle ruote anteriori, posteriori e su tutte e quattro nel caso di trazione integrale. Questo valore a prima vista appare sempre come una delusione, in quanto il rilevamento non contiene la potenza che il motore deve generare per accelerare le masse in rotazione.

Questa potenza perduta viene misurata proprio al termine del processo: quando si è raggiunto il limite di rotazione del motore, il tester toglie il piede dall’acceleratore e preme la frizione. L’inerzia viene quindi calcolata in base al salto di forza frenante fornita dal freno ad induzione. Questo metodo di misurazione è tutt’altro che perfetto, ma date le condizioni è l’unico ragionevole.

E’ possibile determinare la potenza esatta di un motore solamente su un banco prova per motori, ciò significa che sarebbe necessario estrarlo dalla macchina; una via sicuramente poco praticabile. Come già detto in precedenza, tutti i dati, con l’eccezione del regime di rotazione e della temperatura dell’aria aspirata, vengono rilevati tramite il freno ad induzione.

Un banco prova moderno viene fornito assieme ad un proprio sensore di temperatura dell’aria che viene posizionato al posto dell’analogo sensore installato a bordo della macchina. La temperatura dell’aria in aspirazione è particolarmente importante nel caso di motori sovralimentati in quanto il superamento di una certa soglia di temperatura induce la centralina a diminuire la pressione di sovralimentazione.

Nel caso dell’RS4 questo valore corrisponde a circa 60°C. Questa è la ragione per cui è fondamentale piazzare il sensore laddove viene effettuata anche la rilevazione da parte della centralina. Sull’RS4 il sensore di serie è situato direttamente nel condotto di aspirazione, poco prima della testata.

La temperatura dell’aria in aspirazione ha una grande influenza sui risultati della misurazione in quanto dipende in primo luogo dalla temperatura dell’ambiente circostante ed è quindi soggetta ad oscillazioni stagionali. Questo fatto assumerà importanza più avanti quando si parlerà delle correzioni imposte dalle normative.

In secondo luogo la temperatura dell’aria aspirata dipende dal flusso d’aria attraverso le masse radianti. I banchi prova statici presentano lo svantaggio che, essendo la macchina ferma, nessuna corrente può colpirle. Per questo motivo si rende necessario un ventilatore che fornisca aria fresca ed il cui posizionamento e la cui dimensione sono di importanza determinante per una misurazione accurata. Infatti senza aria fresca non c’è raffreddamento e questo porta ad aria aspirata molto calda e misurazioni conseguentemente sfalsate. Questo vale per motori aspirati, ma in particolar modo per motori turbo.

Dal momento che l’aria si riscalda fortemente a causa della compressione che subisce nel compressore, non è possibile prescindere dall’utilizzo di un generatore di aria fresca. I ventilatori più grandi a disposizione riescono a convogliare fino a 120.000 metri cubi d’aria all’ora; ciò corrisponde ad una velocità reale di circa 180km/h.

Altra condizione importante è che il ventilatore non aspiri solamente l’aria circostante, ma che convogli aria veramente fresca aspirata dall’esterno della sala prova. Per concludere si può aggiungere che l’influenza del tester a bordo della vettura è trascurabile in quanto non c’è spazio per eventuali alterazioni a questi riconducibili.

Specialmente nel caso di vetture sportive molto potenti a trazione posteriore lo slittamento delle ruote sui rulli può influenzare il risultato della misurazione. Di norma però questo può essere evidenziato facilmente da vistose oscillazioni sulla curva di potenza. Solo per potenze superiori agli 800cv un banco prova moderno arriva ai suoi limiti. La nostra RS4 a trazione integrale non ha alcun problema a scaricare a terra i suoi 380cv nominali.

I valori di potenza alla ruota e di potenza persa vengono sommati fra loro dal computer (se date uno sguardo ai due grafici nella terza pagina vedrete come la curva superiore è esattamente la somma delle altre due, quella della potenza alla ruota e quella della potenza persa, ndr). I valori così ottenuti si trovano già in prossimità dei valori di potenza dichiarati dal costruttore.

A questo punto però interviene la normativa. Dal momento che altri fattori influenzano la rilevazione della potenza del motore sono state introdotte delle norme per ottenere risultati equiparabili fra loro. Per calcolare la potenza nominale si tiene conto di parametri meteorologici quali l’altezza sul livello del mare, la pressione atmosferica e la temperatura dell’aria. Questi dati vengono rilevati a margine del rilevamento ed inseriti automaticamente nel valore finale.

La questione si complica dal momento che esistono diverse normative secondo le quali è possibile effettuare il calcolo. Sorge spontanea la domanda: che valori altimetrici e di pressione atmosferica introdurre per correggere i dati ottenuti?

La vecchia e non più utilizzabile norma DIN ad esempio prende come riferimento per l’altezza sul livello del mare un valore diverso dalle norme EWG oramai adottate da quasi tutti i produttori.

Generalmente la norma DIN, per come è formulata, dà un vantaggio in termini di potenza: un surplus di 15cv si raggiunge facilmente che per qualcuno può suonare come un furto… In più bisogna rispettare ancora diverse direttive di legge ed applicare una tolleranza al risultato ottenuto.

Per questo motivo un’ulteriore norma concede ai costruttori una tolleranza del ±5%. Nel caso dell’RS4 questo significa tra 361cv e 399cv.

Allo stesso tempo però anche i banchi prova sono soggetti alla tolleranza: a seconda del modello, dell’equipaggiamento, del produttore e della manutenzione i valori oscillano tra il 2 ed il 5%. Così nel caso estremo bisognerebbe considerare altri 20cv e quindi la fascia teorica nel nostro caso andrebbe da 340cv a 440cv… (credo che ci sia un errore: 399cv + 20cv non fa 440cv, ma bensì 420cv… ndr).

Qual è allora il risultato ottenuto dalla nostra RS4 con 100.000km? La prima misurazione ha fornito un risultato da favola che non ha fatto altro che alimentare le nostri dubbi in materia: la potenza nominale ricavata è stata di 431cv. Che qualcuno abbia barato? Per nulla. Una seconda rilevazione riporta il pur sempre ottimo valore di 395cv ridimensionando di molto il risultato precedente e rimanendo pertanto all’interno delle tolleranze concesse dalla legge.

Alla fine il motore è stato sottoposto ad un controllo qualità all’Audi. Risultato: 376cv. La precisione delle misurazioni effettuate durante il nostro test lascia quindi a desiderare. Una dispersione di quasi il 10% o 36cv ci porta ad un’unica conclusione: meglio non fidarsi.

Un tester d’esperienza riconosce se un’auto è in forma o meno già dai valori di accelerazione e ripresa. E sportauto non si è mai fatta scrupoli a dire le cose come stanno.

LA MIA OPINIONE (editoriale)

L’esigenza di avere cifre esatte al riparo da ogni dubbio è grande, ma il nostro test sul campo non fa altro che foraggiare i dubbiosi.

Il settore automobilistico, senza distinzione tra costruttori ed elaboratori, condivide lo scetticismo: “chi fa rilevazioni rileva sciocchezze” riassume in maniera efficace il direttore tecnico della Brabus Ulrich Gauffrés. In ambienti Audi il primo risultato di 431cv non ha creato alcuno scompiglio: “Il motore montato sulla nostra RS4 è stato testato con metodi a prova di bomba. Risultato: 376cv. Nessuno tra i costruttori nega che ci siano tolleranze dal momento che queste sono permesse”.

Si può quindi ritenere che le vetture date alla stampa raggiungano quanto meno i valori minimi. E’ facile ritenere che si cerchi di invogliare i clienti presentando ottime prestazioni, soprattutto nel settore delle sportive dove ogni decimo di secondo conta. D’altra parte però è anche vero che i nostri lettori non sono solo potenziali acquirenti, ma anche i nostri clienti. E loro si aspettano un giudizio il più obiettivo possibile riguardo ai pregi ed ai difetti dei prodotti.

Allo scopo di raccogliere dati, sportauto d’ora in poi si riserva il diritto di effettuare rilevazioni di potenza per mettere ancor meglio in luce il problema.

DIDASCALIE

Prima pagina
sportauto si è occupata del tema del rilevamento della potenza e ha mandato sul banco per due volte l’RS4 del nostro test di durata con risultati contrastanti.

Terza pagina
Due banchi prova, due risultati: in un caso sono stati attribuiti all’RS4 431cv (in basso), nell’altro 395cv (a destra). Le curve mettono in evidenza la potenza alla ruota e la potenza nominale ricavata, così come la coppia del V6 2.7 biturbo.

Quarta pagina
Qui la misurazione è sicuramente corretta e precisa: solo un banco prova per motori può fornire valori di potenza e coppia assolutamente precisi.


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