The Tradeoffs between Power and Torque in Engines and Motors March 18, 2009
Posted by wicanzayu in Automotive.add a comment
So why do the power and torque figures that are quoted in the technical specifications for engines and motors matter so much in vehicle design?
Torque is the rotational version of force. The more torque an engine produces, the more force it can exert at the rim of a flywheel of a given radius.
Power is force multiplied by speed. The more power an engine generates, the more work it can do in a given time.
A typical automobile engine will run evenly from somewhere around idle speed (about 800 revolutions per minute or rpm) to its “red line” which might be anywhere from 4000 rpm for an older engine to 12000 rpm for a Formula One engine. The power and torque will vary through this range.
Torque increases as rotational speed increase from idle to a certain figure and then falls as the rotational speed increase above this figure. Acceleration is proportional to the amount of force pushing the vehicle forward; so maximum acceleration in a given gear is obtained when maximum torque is obtained.
Power is force (~torque) multiplied by speed (~rotational speed) so power increases with rotational speed up to and past the point of maximum torque. However, at still higher rotational speed the engine starts to be limited by the amount of air that it can draw in (4 valves per cylinder help) and torque then decreases more rapidly than the rotational speed increase, and therefore power also decreases. (Electric motors, though their torque and horsepower behavior differ considerably from that of internal combustion engines, experience a similar loss of torque and power at high rotational speeds due to electromagnetic effects.)
Power is force multiplied by speed, and maximum acceleration is obtained by having maximum propulsive force at the wheels. Use of a low gear ratio multiplies the engine torque at the wheel (at the price of having the engine rotate more quickly). Maximum acceleration at a given speed is obtained by having the engine operate at maximum power.
Driving a car is easier and more relaxed if it has a flexible engine. Flexibility even becomes a safety issue in four-wheel drive vehicles. Maximum torque is obtained at a certain rotational speed, and maximum power at a higher rotational speed. An engine is flexible if these maximums occur at widely different rotational speeds, say in the ratio 1:2 or more.
A vehicle engine operating at a rotational speed above its maximum-torque point is in a “stable” speed regime. If it slows down by a small amount (due to the vehicle encountering an incline, head-wind, etc.) engine torque will tend to increase and resist the slowing. Conversely, if it speeds up by a small amount, torque will tend to decrease and discourage a further increase in speed.
A vehicle engine operating at a rotational speed below its maximum-torque point is in an unstable speed regime. If it slows down by a small amount, the torque decreases and its speed will fall further. The driver can compensate by opening the throttle. Conversely, if the speed increases then the torque increases and the speed increases even more. The driver can compensate by closing the throttle (or risk a speeding ticket). The driver has to actively compensate for these variations (or has to rely on automatic cruise control), so the car is considerably less fun and relaxing to drive.
The driver cannot correct for a fall in engine rotational speed and loss of torque if the throttle is already wide open, except by changing into a lower gear. This can be a safety matter on a steep road. If you start up a steep hill in too high a gear, or have to slow down due to obstacles, for example, the engine may fall below its maximum-torque point and be unable to recover from a downward speed spiral. Changing gears causes a loss of more speed and, additionally, traction may be lost as the clutch engages. Inaction on the part of the driver may lead to a stalled engine and a forced restart on a dangerous slope. These risks are minimized if maximum engine torque is designed to occur at low engine rotational speed.
So, if you are into racing, particularly Formula One racing, you want an engine with the highest possible power output and this is best achieved by generating maximum power at very high rpm. Such engines also tend to generate maximum torque at very high rpm and are inflexible and difficult to drive — but that is what the driving aces are paid big bucks for!
If you are into four wheel driving or drag racing, you want a very flexible engine that generates maximum torque, and lots of it, at low rotational speed and generates maximum power at a higher rotational speed – a ratio of 1:2 is good. A ratio of 1:3 (e.g. 1500rpm and 4500rpm) is excellent. As a side benefit, which is especially valuable for passenger vehicles, engine wear is largely determined by piston speeds and producing high torque at low rpm allows you to use a high “over-drive” top gear for quiet highway cruising and for long engine life.
[This information was adapted from an article on Power and Torque appearing on the 4WDOnline.com web site.]
Graphing Torque and Horsepower for an Internal Combustion Engine
If you plot the torque and the horsepower versus the rpm values for an engine, what you end up with are torque and horsepower curves for that engine. This is what a machine called a dynamometer does. Typical torque and horsepower curves for a high-performance engine might look like those in the graph below (these happen to be the curves for the 300-horsepower engine in the Mitsubishi 3000 twin-turbo). The horizontal axis is rotational speed (in rpm) and the vertical axis is horsepower (for the horsepower curve) or torque (in ft-lbs for the torque curve).
Notice the very “flat” torque curve, with a maximum at 2500 rpm and only a gradual drop off in torque at the high end. Notice that the horsepower increases almost linearly until it peaks at about 6500 rpm. The ratio here is 2.6/1. This makes for a very “sweet” ride!
[This information is adapted from an article on the HowThingsWork.com web site.]
The torque and horsepower curves for a typical small dc motor differ a bit from the internal combustion engine. The torque curve is very linear with maximum torque developed at zero rotational speed, and the horsepower curve peaks near the middle of the range. The following MATLAB plot for the small VEX dc motor illustrates these characteristics.
Gasoline Direct Injection – GDI March 13, 2009
Posted by wicanzayu in Automotive.4 comments
Salah satu latest innovation dalam hal combustion mesin bensin adalah teknologi Direct Injection. Kalau selama ini mesin bensin menggunakan sistem port injection, dimana bahan bakar/fuel di semprotkan pada intake manifold, maka pada teknologi GDI bahan bakar langsung di inject kedalam ruang bakar seperti halnya mesin Diesel. Maka tidak salah kalau ada yang mengatakan GDI adalah hybrid antara mesin bensin dan diesel. So apa dibalik penemuan ini???Tentunya dorongan untuk menghasilkan sistem pembakaran mesin bensin yang lebih efisien, powerful dan ramah lingkungan. Bagaimana ketiga hal itu bisa dicapai oleh Sistem ini???
BMW DI System
Karena menggunakan direct injection, maka suhu didalam ruang bakar bisa lebih rendah dan efeknya kompressi ratio bisa ditingkatkan menjadi 1:12 tanpa harus mengalami gejala knocking. Jadi dengan fuel beroktan rendah pun (87), mesin GDI bisa menghasilkan pembakaran yang lebih efficient (volumetric efficiency) dan juga increase power. Selain itu juga karena sifatnya yang unik ini, gas buang hasil pembakaran juga relatif lebih bersih sehingga ramah bagi lingkungan. Untuk menjalankan sistem ini maka dibutuhkan kontrol sistem yang reliable, dimana sensor dan ECU berperan sangat besar dalam menentukan kondisi pembakaran yang paling sempurna. Injector yang digunakan adalah injector yang dirancang khusus untuk mampu menyemprotkan bahan bakar pada tekanan 120 Bar agar fuel bisa teratomisasi dengan baik dan pembakaran bisa berlangsung dengan sempurna.
Pada sistem yang didevelop oleh Bosch, ada 2 macam pembakaran yaitu Homogeneous dan Stratified, dan ini disesuaikan dengan kebutuhan driver. Pada saat butuh power, maka sistem akan memerintahkan injector untuk menyemprotkan fuel secara merata kedalam ruang bakar sehingga terbentuk homogeneous combustion dan sebaliknya pada low load, sistem bisa mensetting untuk terjadinya stratified combustion dimana hanya ada sebagian fuel yang diinjectkan disekitar spark plug dan terjadi lean combustion.
Saat ini sistem ini sudah mulai dijumpai dibeberapa model yang dikeluarkan oleh pabrikan, dan untuk Indonesia LEXUS LS yang sudah mengadoptnya. So, kita tunggu kiprahnya untuk mobil mobil yang lain………….terutama mobil yang mampu dibeli tanpa harus korupsi………………hehehehehhehe.
Water for Life March 8, 2009
Posted by wicanzayu in Thii Krungthep.1 comment so far
Jadi inget salah satu topik yang dibahas pada saat Training ISO14001 beberapa waktu yang lalu. Air selama ini memang kurang mendapat perhatian yang layak, padahal air adalah faktor penentu keberadaan manusia di Planet bumi ini.
Air????? Kenapa Air??? Karena tanpa air manusia tidak akan bisa bertahan hidup. Maka tidak salah kalau orang orang menyebut air sebagai Blue Gold. Sadarkah kita berapa liter kita mengkonsumsi air per kapita??? Data menunjukkan bahwa saat ini total populasi didunia mengkonsumsi 4000km3 air per tahun sedangkan kemampuan alam menyediakan air hanya lebih kurang 9000 km3/tahun. Sebenarnya air yang tersedia untuk dimanfaatkan berdasarkan penelitian para ahli berkisar 42,700 km3/year, tapi dikarenakan ada bagian yang tidak bisa digunakan maka yang available hanya sekitar 9000 km3 saja. Dari 4000 km3 yang dikonsumsi tadi, lebih kurang 20% (~700 km3) berasal dari air tanah yang dimanfaatkan oleh lebih kurang 1 milyar penduduk asia dan 150 jt penduduk Amerika Latin. Air tanah ini sebagian adalah berasal dari fossil water yang tidak termasuk dalam normal cycle runoff dan tidak tergantikan dan sebagai akibatnya kelangkaan air tanah bisa dipastikan akan terjadi.
Seiring dengan bertambahnya penduduk dunia, maka kebutuhan akan air pun akan meningkat secara signifikan. Apabila situasi ini tidak bisa dimanage secara baik, maka dapat dipastikan manusia akan mengalami kelangkaan air dan akan timbul berbagai penyakit yang menghinggapi manusia dikarenakan mengkonsumsi air yang tidak layak.
So, mulai saat ini marilah kita menggunakan air secara bijak, karena air sangat menentukan kelangsungan hidup umat manusia dimuka bumi yang fana ini. Kita harus bisa memberikan peninggalan yang baik buat anak cucu kita kelak……………..
EGR Sistem -> Reducing Pumping Loss March 4, 2009
Posted by wicanzayu in 1.add a comment
Pada mesin internal combustion engine, khususnya SI Engine, engine performance salah satunya dipengaruhi oleh design sistem pernafasan engine (engine breathing system). Agar mesin bisa lebih baik performancenya dalam hal fuel consumption bisa dengan cara menurunkan pumping loss. So, apa yang dimaksud dengan pumping loss??? Pada mesin bensin, udara dari luar dipompakan masuk kedalam ruang bakar lewat throttle, tetapi karena ada perbedaan tekanan udara luar dan didalam intake manifold, mengakibatkan perlu tenaga extra dan tenaga ini tentunya diambil dari proses pembakaran. Otomatis fuel consumption jadi naek……….
Agar pumping loss berkurang, maka pada mesin bisa ditambahkan EGR sistem (Exhaust Gas Recirculation), dimana sebagian dari gas buang dimasukkan kembali ke ruang bakar. Penambahan gas inert hasil pembakaran ini pada jalur intake akan menimbulkan perubahan tekanan sehingga udara didalam intake mempunyai tekanan yang hampir sama dengan tekanan udara luar dan pada akhirnya pumping loss bisa dikurangi. Manfaat lain dari sistem ini adalah bisa menurunkan emisi NOx, dikarenakan inert gas bisa menurunkan suhu pembakaran dan mengurangi kemungkinan terbentuknya NOx sebagai akibat dari tingginya suhu pembakaran diruang bakar.
Seperti terlihat pada grafik diatas, pada typical 40km/h, besar mechanical loss yang disebabkan oleh Pumping loss adalah sebesar 27% dan secara total dengan dilengkapi oleh sistem ini maka total fuel consumption bisa dikurangi sebesar 8-10%.
Hemat Bahan Bakar -> Start/Stop System alias Microhybrid March 2, 2009
Posted by wicanzayu in Automotive.add a comment
Banyak cara dilakukan oleh Auto Engineer untuk meningkatkan efisiensi pemakaian bahan bakar dan salah satunya yang terakhir banyak diperbincangkan adalah penerapan sistem micro hybrid pada kendaraan. Sistem ini intinya mampu membuat mesin untuk hidup/mati secara otomatis apabila sistem mendeteksi mesin dalam keadaan idle. Dengan cara ini , pemakaian bahan bakar bisa dihemat sebesar 5-10%. Apalagi kalu diterapkan pada kondisi berkendara pada saat jalan macet (banyak stop-go) dan lampu merah yang lamanya bukan kepalang………….(ampe ampe ada yang 3 menit lebih..). BMW adalah leader pada teknologi ini, walaupun FIAT sudah menerapkan pada modelnya sejak dua dekade yang lalu (80`an). Pada salah satu modelnya, sistem BMW akan mematikan mesin pada saat driver menginjak rem dan kecepatan kendaraan <8km/h dan akan otomatis start pada saat driver melepaskan pedal brake.
from wikipedia
Untuk bisa berfungsi perubahan utama adalah pada motor stater, dimana dibutuhkan motor stater yang mempunyai daya tahan lebih lama dalam kondisi on/off dan didukung oleh control sistem lewat sensor yang lain. Ada beberapa vendor yang mengembangkan sistem ini bagi pabrikan, diantaranya Bosch, Denso dan Valeo dan untuk valeo mereka beri nama STARs. Dalam sistem ini ada fungsi tambahan untuk memanfaatkan tenaga dari proses braking(regenerative braking)
Valeo Stars System
Produsen India (Mahindra-mahindra) juga telah mengintroduce sistem ini pada line-up mereka (scorpio & balero) dan hanya menambah cost Rs:3,800 dan tentunya sangat menarik buat pasar India. Seandainya mobil dijakarta dapat dilengkapi dengan sistem ini, maka bisa kita bayangkan berapa banyak fuel yang bisa kita saving dan pada akhirnya bisa mengurangi beban pemerintah untuk mensubsidi BBM.
Dari sini apa yang bisa kita petik, bahwa untuk mendapatkan efisiensi 5% saja, butuh effort yang sangat besar, jadi bisa dibayangkan kalau ada produk dipasaran yang mengklaim bisa menghemat sampe 40% tanpa perubahan yang radikal pada sistem power train kendaraan, maka sangat bisa jadi itu adalah hanya klaim semata (Good to be true……….Kata orang bulek). So mungkin ada yang berminat untuk research mengenai start stop sistem ini??? Peluang terbuka besar……..
