Silnik jako źródło napędu motocykla charakteryzuje się trzema cechami: momentem i mocą, jakie możemy od niego otrzymywać i zużyciem paliwa, kóre musimy mu dać. Z punktu widzenia techniki jazdy interesuje nas tylko to, co wpływa na dynamikę motocykla, a więc moment i moc silnika. Zużyciem paliwa nie będziemy się tu interesować.
Co to jest moment?
Dla każdego jest jasne, że jeśli chcemy popchnąć jakieś ciało (cokolwiek to jest: kawałek metalu, człowiek, szafa, lub rakieta), to musimy przyłożyć do niego siłę. Popchnąć, czyli nadać mu ruch posuwisty.
Natomiast jeśli chcemy obrócić jakieś ciało (o jakiś kąt, czy o jakąs liczbę obrotów), czyli nadać mu ruch obrotowy, to musimy przyłożyć do niego moment.
Nie musimy w tej chwili wchodzić w sposób pracy silnika, wystarczy jeżeli stwierdzimy, że zawsze jest to jakaś bryła, z której wystaje koniec wału. Wał ten przeekazuje ruch obrotowy, więc wysiłek jaki temu towarzyszy jest momentem. Dalej moment ten przetwarza się na siłę w łańcuchu, ta powoduje znów moment w skrzynce biegów, przetwarzany znów na siłę w drugim łańcuchu, ta wytwarza moment na tylnym kole, który w końcowym efekcie powoduje siłę obwodową na kole. Ta siła popycha nasz motocykl w przód.
Moment silnika możemy zmierzyć, jeżeli ustawimy go na urządzeniu zwanym hamownią. W hamowni równoważy się moment wyprodukowany przez silnik za pomocą siły działającej na znanym ramieniu. Iloczyn tej siły (mierzonej) i tego ramienia jest miarą momentu. Siłę mierzymy w kilogramach (kG) a ramię mierzy się w metrach (m), więc miarą momentu są kilogramometry (kGm).
Silnik motocyklowy, jak każdy silnik tłokowy wewnętrznego spalania, tylko wtedy jest w stanie dać na wale jakiś moment, kiedy pracuje, to jest kiedy jego wał obraca się z jakąś prędkością. Ale moment na wale silnika nie jest jednakowy przy wszystkich prędkościach, z jakimi silnik jest w stanie tym wałem obracać. Przy małych obrotach wału silnik produkuje niewielki moment, w miarę wzrostu obrotów moment rośnie, przy pewnych obrotach moment przyjmuje najwyższą wartość a powyżej tych obrotów moment spada.
Dzieje się tak dlatego, że różny jest stopień napełniania cylindra mieszanką paliwowo-powietrzną przy różnych prędkościach obrotowych silnika, a poza tym w wyższym zakresie obrotów zwiększone opory wewnątrz silnika zmniejszają wartość momentu na wale wyjściowym.
Co to jest moc?
Mocy nie mierzy się. Moc się wylicza, skoro zmierzyło się obroty i moment. Moc jest to energia, jaką silnik produkuje w jednostce czasu. Energia czyli praca, jest to - jak wiadomo - iloczyn siły i drogi, na jakiej siła ta działa, jeżeli mowa o ruchu posuwistym, a iloczyn momentu i obrotu na jakim moment ten działa, jeżeli chodzi o ruch obrotowy.
Ponieważ moc jest energią w jednostce czasu, więc jest to iloczyn siły i prędkości w ruchu posuwistym lub iloczyn momentu i prędkości obrotowej w ruchu obrotowym
W silniku dysponujemy ruchem obrotowym wału, więc moc wyrażamy iloczynem:
N=M · n
gdzie:
N - moc,
M - moment,
n- prędkość obrotowa.
Dla każdych obrotów możemy z wykresu momentu odczytać wartość momentu, jakiego możemy oczekiwać od silnika dla tych obrotów, przemnożyć obroty przez wartość tego momentu i otrzymać zależność mocy danego silnika od jego obrotów.
Jeżeli chcemy moc wyrazić w jednostkach do jakich jesteśmy przyzwyczajeni, tj. w koniach mechanicznych (KM), to musimy wynik uzyskany z przemnożenia momentu (w kGm) i obrotów (w obr/min) podzielić jeszcze przez współczynnik 716,2
Krzywą mocy i krzywą momentu wrysowuje się na ogół w ten sam wykres zaopatrując go w podwójną skalę pionową: dla mocy i momentu.
Te oba wykresy: momentu i mocy stanowią tzw. zewnętrzną charakterystykę silnika. Dlatego zewnętrzną, że aktualną dla pełnego otwarcia przepustnicy. Dla mniejszych otwarć możemy otrzymać dowolnie dużo krzywych momentu, a wyliczyć i wrysować odpowiadające im moce, ale wszystkie one będą leżały poniżej krzywych charakterystyki zewnętrznej. Tymi się zresztą nie zajmujemy w tych rozważaniach.
Zauważmy, że w klasycznym silniku, moc wzrasta waz z obrotami początkowo dość stromo, dopóki wzrasta moment. Później, kiedy moment spada, moc wzrasta słabiej, aż wreszcie osiąga swe maksimum i dalej zaczyna też spadać. Oczywiście gdyby moment był jednakowy na wszystkich obrotach, moc wzrastałaby zupełnie proporcjonalnie do obrotów silnika a jej wykresem byłaby linia prosta.
Mamy więc już dwa punkty charakterystyczne dla silnika: obroty maksymalnego momentu i obroty maksymalnej mocy. W teoretycznych rozważaniach przyjęto za "zakres obrotów użytkowych" uważać te obroty, które są zawarte pomiędzy obrotami maksymalnego momentu nM a obrotami maksymalnej mocy nN. To jest pewne umowne uproszczenie, bo w rzeczywistości używa się silnika na znacznie szerszym zakresie obrotów. Seryjne silniki pracują także przy obrotach znacznie niższych niż obroty maksymalnego momentu a niektórych silników używa się niekiedy także przy obrotach wyższych niż obroty maksymalnej mocy. Jednak dla scharakteryzowania silnika dobrym parametrem jest stosunek dwóch wspomnianych obrotów:
a= nM / nN
Ten stosunek nazywa się współczynnikiem rozpiętości obrotów użytkowych.
W dawnych spokojnych, niewyżyłowanych silnikach obroty maksymalnego momentu były znacznie niższe niż obroty maksymalnej mocy. To się łączyło z pojęciem "elastyczności silnika". W miarę wzrostu wydajności silników, obroty maksymalnej mocy wzrastały ale wzrastały jeszcze szybciej obroty maksymalnego momentu, zawężając coraz bardziej "zakres obrotów użytkowych" zawarty pomiędzy nM a nN.
Skoro mówimy o wydajności silników, warto wprowadzić jeszcze jedno pojęcie: mocy uzyskanej z jednego litra pojemności skokowej silnika. Maksymalną moc danego silnika wyrażoną w KM dzieli się przez pojemność skokową całego silnika, wyrażoną w litrach. Silniki motocyklowe mają zwykle pojemności mniejsze niż 1 litr a więc wydajność w KM/l bedzie się wyrażać liczbą większą niż jego moc maksymalna wyrażona w koniach mechanicznych.
Wydajność silnika jest pojęciem właściwym dla porównywania silników różnych wielkości.
Wydajność jest w przybliżeniu tym większa, im mniejsza jest pojemność skokowa. Natomiast wydajność i elastyczność np. silnika typowego dla rajdów obserwowanych (AJS 250 Trials) jest na poziomie przedwojennych silników turystycznych z kolei wydajność tego silnika jest 2-krotnie niższa niż silników przeznaczonych do rajdów szybkich.
Na marginesie uwag o wydajności silników: nie należy mylić pojęcia wydajności silnika z pojęciem jego szybkoobrotowości. Wysokie obroty są jednym ze środków osiągania wysokich wydajności, ale nie stanowią same w sobie parametru charakteryzującego silnik pod względem wydajności.
Wydajność silnika wzrasta wraz z obrotami wtedy, kiedy konstruktorowi uda się nie spowodować nadmiernych strat w napełnianiu cylindra mieszanką spalinową wraz ze wzrostem obrotów.
Silniki o małej pojemności pojedynczego cylindra mogą być łatwiej "żyłowane" (można z nich osiągnąć większą wydajność) przez zwiększenie obrotów, gdyż lekki tłok i lekki korbowód takiego silnika stawia luźniejsze ograniczenia w powiększaniu obrotów: siły bezwładności tych elementów są mniejsze.
Wreszcie silniki o małej pojemności skokowej pojedynczego cylindra dają większe możliwości podnoszenia stopnia sprężania, co jest drugim czynnikiem ułatwiającym osiąganie wyższych wydajności z tych silników. Umyślnie używam wyrażenia: silniki o małej pojemności pojedynczego cylindra. Dotyczy to zarówno małych silników jednocylindrowych jak i dużych silników wielocylindrowych.
Wspomniałem przy okazji definiowania zewnętrznej charakterystyki silnika, że nie będziemy się interesować przebiegiem analogicznych krzywych dla częściowych otwarć przepustnicy. Nie oznacza to jednak, jakoby nie było ważne dla naszego sportowego pojazdu, jak pracuje silnik na częsciowych otwarciach przepustnicy. Jest to co najmniej tak samo ważne dla sportowych pojazdów (z wyścigowymi włącznie) jak dla seryjnych pojazdów użytkowych.
Główny konstruktor samochodowych silników wyścigowych Coventry Climax mawiał podobno, że ważniejsze dla niego jest to, co dzieje się poniżej krzywej mocy niż jaki jest szczyt krzywej.
Chodzi jednak o to, że częściowe krzywe nie są publikowane i chociaż są bardzo ważne dla ludzi zajmujących się danym silnikiem, to nie mogą służyć dla celów porównywania różnych silników; parametry porównawcze, jak między innymi współczynnik rozpiętości obrotów użytkowych, opierają się z reguły na charakterystykach zewnętrznych.
Te parametry stanowią oczywiście tylko pewną ilustrację porównawczą silników. W rzeczywistości jak wspomniałem, jeździ się na znacznie szerszym zakresie obrotów niż ten oficjalny zakres "obrotów użytkowych" i dobiera się zakres praktycznych obrotów użytkowych według nieco innych kryteriów.