Как один и тот же двигатель может иметь разную отдачу? Чем отличается мощность от крутящего момента?

ЧТО ТАКОЕ ЛОШАДИНАЯ СИЛА?

У тебя сколько сил? - такой вопрос слышал любой, кто хоть немного касался мира автомобилей . Никому даже пояснять не надо, какие силы на самом деле имеются в виду - лошадиные. Именно в них мы привыкли оценивать мощность мотора, одну из важнейших потребительских характеристик машины.

Уже и гужевого транспорта практически не осталось даже в деревнях, а эта единица измерения живёт и здравствует больше ста лет. А ведь лошадиная сила - величина, по сути, нелегальная. Она не входит в международную систему единиц (полагаю, многие со школы помнят, что называется она СИ) и потому не имеет официального статуса. Более того, Международная организация законодательной метрологии требует как можно скорее изъять лошадиную силу из обращения, а директива ЕС 80/181/EEC от 1 января 2010 прямо обязует автопроизводителей использовать традиционные «л.с.» только как вспомогательную величину для обозначения мощности.

Но не зря считается, что привычка - вторая натура. Ведь говорим же мы в обиходе «ксерокс» вместо копир и обзываем клейкую ленту «скотчем». Вот и непризнанные «л.с.» сейчас используют не только обыватели, но и едва ли не все автомобильные компании. Какое им дело до рекомендательных директив? Раз покупателю удобнее - пусть так и будет. Да что там производители - даже государство на поводу идёт. Если кто забыл, в России транспортный налог и тариф ОСАГО именно от лошадиных сил высчитываются, как и стоимость эвакуации неправильно припаркованного транспорта в Москве.

И никто бы к этому не придирался, если не одно весомое «но». Задуманная, чтобы упростить нам жизнь, лошадиная сила на самом деле вносит путаницу. Ведь появилась она в эпоху промышленной революции как совершенно условная величина, которая не то что к автомобильному мотору , даже к лошади имеет достаточно опосредованное отношение. Смысл этой единицы в следующем - 1 л.с. достаточно, чтобы поднять груз массой 75 кг на высоту 1 метр за 1 секунду. Фактически, это сильно усреднённый показатель производительности одной кобылы. И не более того.

Иными словами, новая единица измерения очень пригодилась промышленникам, добывавшим, к примеру, уголь из шахт, и производителям соответствующего оборудования. С её помощью было проще оценить преимущество механизмов над животной силой. А поскольку приводились станки уже паровыми, а позднее и керосиновыми двигателями, то «л.с.» перешли по наследству и к самобеглым экипажам.

По иронии судьбы изобрёл лошадиную силу человек, именем которого названа официальная единица измерения мощности - Джеймс Уатт. А поскольку ватт (а точнее, применительно к могучим машинам, киловатт - кВт) к началу XIX века тоже активно входил в оборот, пришлось две величины как-то приводить друг к другу. Вот здесь-то и возникли ключевые разногласия. Например, в России и большинстве других европейских стран приняли так называемую метрическую лошадиную силу, которая равна 735,49875 Вт или, что сейчас нам более привычно, 1 кВт = 1,36 л.с. Такие «л.с.» чаще всего обозначают PS (от немецкого Pferdestärke ), но есть и другие варианты - cv, hk, pk, ks, ch… При этом в Великобритании и ряде её бывших колоний решили пойти своим путём, организовав «имперскую» систему измерений с её фунтами, футами и прочими прелестями, в которой механическая (или, по-другому, индикаторная) лошадиная сила составляла уже 745,69987158227022 Вт. А дальше - пошло-поехало. К примеру, в США придумали даже электрическую (746 Вт) и котловую (9809,5 Вт) лошадиные силы.

Вот и получается, что один и тот же автомобиль с одним и тем же двигателем в разных странах на бумаге может иметь разную мощность. Возьмём, например, популярный у нас кроссовер Kia Sportage - в России или Германии по паспорту его двухлитровый турбодизель в двух вариантах развивает 136 или 184 л.с., а в Англии - 134 и 181 «лошадку». Хотя на самом деле отдача мотора в международных единицах составляет ровно 100 и 135 кВт - причём в любой точке земного шара. Но, согласитесь, звучит непривычно. Да и цифры уже не такие впечатляющие. Поэтому автопроизводители и не спешат переходить на официальную единицу измерения, объясняя это маркетингом и традициями. Это как же? У конкурентов будет 136 сил, а у нас всего 100 каких-то кВт? Нет, так не пойдёт…

КАК ИЗМЕРЯЮТ МОЩНОСТЬ?

Впрочем, «мощностные» хитрости игрой с единицами измерения не ограничиваются. До последнего времени её не только обозначали, но даже измеряли по-разному. В частности, в Америке долгое время (до начала 1970-х годов) автопроизводители практиковали стендовые испытания двигателей, раздетых догола - без навески вроде генератора, компрессора кондиционера, насоса системы охлаждения и с прямоточной трубой вместо многочисленных глушителей. Само собой, сбросивший оковы мотор легко выдавал процентов на 10-20 больше «л.с.», так необходимых менеджерам по продажам. Ведь в тонкости методики испытаний мало кто из покупателей вдавался.

Другая крайность (но гораздо более приближенная к реальности) - снятие показателей прямо с колёс автомобиля, на беговых барабанах. Так поступают гоночные команды, тюнинговые мастерские и прочие коллективы, которым важно знать отдачу мотора с учётом всех возможных потерь, и трансмиссионных в том числе.

Но в итоге за образец в различных методиках вроде европейских ECE, DIN или американских SAE приняли компромиссный вариант. Когда двигатель устанавливают на стенде, но со всей необходимой для бесперебойного функционирования навеской, включая стандартный выпускной тракт. Снять можно только оборудование, относящееся к другим системам машины (к примеру, компрессор пневмоподвески или насос гидроусилителя руля). То есть тестируют мотор ровно в том виде, в котором он фактически стоит под капотом автомобиля. Это позволяет исключить из финального результата «качество» трансмиссии и определить мощность на коленвале с учётом потерь на привод основных навесных агрегатов. Так, если говорить о Европе, то эту процедуру регламентирует директива 80/1269/EEC, впервые принятая ещё в 1980 году и с тех пор регулярно обновляемая.

ЧТО ТАКОЕ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ?

Но если мощность, как говорят в Америке, помогает автомобили продавать, то двигает их вперёд крутящий момент. Измеряют его в ньютон-метрах (Н∙м), однако у большинства водителей до сих пор нет чёткого представления об этой характеристике мотора. В лучшем случае обыватели знают одно - чем выше крутящий момент, тем лучше. Почти как с мощностью, не правда ли? Вот только чем тогда «Н∙м» отличаются от «л.с.».?

На самом деле, это связанные величины. Более того, мощность - производная от крутящего момента и оборотов мотора. И рассматривать их по отдельности просто нельзя. Знайте - чтобы получить мощность в ваттах необходимо крутящий момент в ньютон-метрах умножить на текущее число оборотов коленвала и коэффициент 0,1047. Хотите привычные лошадиные силы? Нет проблем! Делите результат на 1000 (таким образом получатся киловатты) и умножайте на коэффициент 1,36.

Выражаясь техническим языком, мощность показывает, сколько работы способен выполнить мотор за единицу времени. А вот крутящий момент характеризует потенциал двигателя к совершению этой самой работы. Показывает сопротивление, которое он может преодолеть. Например, если машина упрётся колёсами в высокий бордюр и не сможет тронуться с места, мощность будет нулевой, так как никакой работы мотор не совершает - движения нет, но крутящий момент при этом развивается. Ведь за то мгновение, пока движок не заглохнет от натуги, в цилиндрах сгорает рабочая смесь, газы давят на поршни, а шатуны стараются привести во вращение коленвал. Иными словами, момент без мощности существовать может, а мощность без момента - нет. То есть именно «Н∙м» являются основной «продукцией» двигателя, которую он производит, превращая тепловую энергию в механическую.

Если проводить аналогии с человеком, «Н∙м» отражают его силу, а «л.с.» - выносливость. Именно поэтому тихоходные дизельные двигатели в силу своих конструктивных особенностей у нас, как правило, тяжелоатлеты - при прочих равных условиях они могут тащить на себе больше и легче преодолевают сопротивление на колёсах, пусть и не так проворно. А вот быстроходные бензиновые моторы скорее относятся к бегунам - нагрузку держат хуже, зато перемещаются быстрее. В общем, действует простое правило рычага - выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии или скорости. И наоборот.

Как это выражается на практике? В первую очередь, надо понять, что именно кривые крутящего момента и мощности (вместе, а не по отдельности!) на так называемой внешней скоростной характеристике двигателя будут раскрывать его истинные возможности. Чем раньше достигается пик тяги и позже пик мощности, тем лучше мотор приспособлен к своим задачам. Возьмём простой пример - автомобиль движется по ровной дороге и вдруг начинается подъём. Сопротивление на колёсах возрастает, так что при неизменной подаче топлива обороты станут падать. Но если характеристика двигателя грамотная, крутящий момент при этом наоборот начнёт расти. То есть мотор сам приспособится к увеличению нагрузки и не потребует от водителя или электроники перейти на передачу пониже. Перевал пройден, начинается спуск. Машина пошла на разгон - высокая тяга здесь уже не так важна, критичным становится другой фактор - мотор должен успевать её вырабатывать. То есть на первый план выходит мощность. Которую можно регулировать не только передаточными числами в трансмиссии, а повышением оборотов двигателя.

Здесь уместно вспомнить гоночные автомобильные или мотоциклетные моторы. В силу относительно небольших рабочих объёмов, они не могут развить рекордный крутящий момент, зато способность раскручиваться до 15 тысяч об/мин и выше позволяет им выдавать фантастическую мощность. К примеру, если условный двигатель при 4000 об/мин обеспечивает 250 Н∙м и, соответственно, примерно 143 л.с., то при 18000 об/мин он мог бы выдать уже 640,76 л.с. Впечатляет, не правда ли? Другое дело, что «гражданскими» технологиями это не всегда получается добиться.

И, кстати, в этом плане близкую к идеальной характеристику имеют электродвигатели. Они развивают максимальные «ньютон-метры» прямо со старта, а потом кривая крутящего момента плавно падает с ростом оборотов. График мощности при этом прогрессивно возрастает.

Думаю, вы уже поняли - в характеристиках автомобиля важны не только максимальные значения мощности и крутящего момента, но и их зависимость от оборотов. Вот почему журналисты так любят повторять слово «полка» - когда, допустим, мотор выдаёт пик тяги не в одной точке, а в диапазоне от 1500 до 4500 об/мин. Ведь если есть запас крутящего момента, мощности тоже, скорее всего, будет хватать.

Но всё же лучший показатель «качества» (назовём его так) отдачи автомобильного двигателя - его эластичность, то есть способность набирать обороты под нагрузкой. Она выражается, например, в разгоне от 60 до 100 км/ч на четвёртой передаче или с 80 до 120 км/ч на пятой - это стандартные тесты в автомобильной индустрии. И может случиться так, что какой-нибудь современный турбомотор с высокой тягой на малых оборотах и широченной полкой момента даёт ощущение отличной динамики в городе, но на трассе при обгоне окажется хуже древнего атмосферника с более выгодной характеристикой не только момента, но и мощности…

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "РУССКАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА"

"ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ"

"Характеристики двигателя."

К основным характеристикам двигателя относятся мощность, крутящий момент и топливная экономичность.

Мощность двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания давление газов, образующееся в результате сгорания топливовоздушной смеси, воздействует на днище поршня и перемещает поршень в цилиндре. Перемещая поршень, газы совершают полезную работу*, а двигатель развивает определённую мощность**.

*Работа (А) совершается тогда, когда на тело действует сила (F) и под воздействием этой силы тело движется (перемещается на расстояние S). Другими словами: Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и пройденному пути (A=FS). Единица измерения работы в системе СИ – Джоуль (Дж). Один Джоуль равен одному Ньютону , умноженному на один метр (1Дж=Нm), т.е., если сила в один Ньютон перемещает тело массой в один кг на расстояние в один метр, то такая сила равна одному Джоулю.

**Мощность (Р) равна работе (А), совершённой за определённое время (единицу времени - t): P=A/t (Мощность=Работа/Время). Единица измерения мощности в системе СИ – Ватт (Вт). Один Ватт равен одному Джоулю, делённому на одну секунду (1Вт=1Дж/1сек), т.е., если работа в один Джоуль произведена за одну секунду, то такая работа воспроизводит мощность, равную одному Ватт. Внесистемной единицей измерения мощности является килограмм-сила, умноженная на один метр, делённый на одну секунду (кгс м/сек). 1кгс м/с = 9,81Вт. В технической литературе по автомобильной тематике также используется такая единица измерения, как лошадиная сила. Одна лошадиная сила равна 75 кгс м/с и 735,5 Вт.

Мощность, развиваемая газами внутри цилиндров двигателя, называется индикаторной мощностью (P i ). Индикаторная мощность не может быть полностью использована для движения автомобиля, так как часть этой мощности затрачивается на преодоление сил трения в самом двигателе (трение в подшипниках, между деталями цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма, взбалтывание масла и т.п.), а также привод вспомогательных механизмов (генератора, насоса охлаждающей жидкости и др.).
Мощность, которая может быть снята с коленчатого вала двигателя и использована для осуществления движения автомобиля, называется эффективной мощностью (Р ef ).
Эффективная мощность меньше индикаторной мощности на величину механических потерь. Механические потери удобно представлять в виде механического КПД двигателя (η).
КПД двигателя равен отношению эффективной и индикаторной мощности (η = Р ef /P i ). Величина КПД современных двигателей лежит в пределах 0,7 – 0,9. Величину КПД определяют экспериментально на специальных установках (тормозных установках барабанного или иного типа, развивающих заданное тормозное усилие).
Эффективная мощность двигателя описывается формулой: Р ef = p i V d n /2x60x75 (л.с.) , где в числителе:
p i – среднее индикаторное давление газов (кг/м.кв.), действующее на поршень;
V d – рабочий объём двигателя (м.куб.);
n – число оборотов двигателя (об/мин.);
в знаменателе:
2 – числовой коэффициент (для четырёхтактных двигателей = 2, для двухтактных = 1);
60x75 – числовой коэффициент, для перевода величины мощности из «кгс м/мин» в «лошадиные силы».

Из формулы следует, что эффективная мощность двигателя зависит от: 1) среднего индикаторного давления газов, действующего на поршень, 2) рабочего объёма двигателя и 3) числа рабочих циклов, осуществляемых за условное время работы двигателя, выраженное в оборотах коленчатого вала.

Среднее индикаторное давление газов (p i ) - условно постоянное давление которое, действуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл, т.е. p i =А i /V c (отношение индикаторной работы газов А i к единице рабочего объема цилиндра V c ).
Средние индикаторные давления при номинальной нагрузке у четырехтактных бензиновых двигателей 0.8 - 1.2 МПа, у четырехтактных дизелей 0.7 - 1.1 МПа, у двухтактных дизелей 0.6 - 0.9 МПа.

Рабочий объём двигателя V d равен сумме рабочих объёмов всех его цилиндров (V d = Σ n V c ). Рабочий объём одного цилиндра (V c ) равен произведению его диаметра (d) на ход поршня (h) – (V c = dh).

Число рабочих циклов , совершаемых двигателем за одну минуту, равно 2n/T , где n – частота вращения коленчатого вала, T - тактность двигателя (число тактов, совершаемых за рабочий цикл). Для четырёхтактного двигателя Т = 4, а число рабочих циклов - n/2 .

Из приведённых выше величин постоянными, т.е. неизменными, зависящими от конструкции двигателя, являются только рабочий объём и тактность двигателя. Остальные величины переменные. Значения этих величин будут зависеть от режима работы и технического состояния двигателя. Из формулы можно видеть, что с ростом оборотов коленчатого вала и давления газов, действующих на поршень, мощность двигателя также будет расти. При этом функция мощности от скорости вращения КВ не является линейной, что иллюстрируется на графике (рис. 1).

Этот факт требует некоторого пояснения.
Дело в том, что величина давления рабочих газов зависит от полноты наполнения цилиндров новой порцией топливовоздушной смеси, скорости и полноты её сгорания и степени (коэффициента) последующей очистки цилиндров от отработавших газов. Степень наполнения и очистки цилиндров, равно как скорость и полнота сгорания топливовоздушной смеси, определяются конструкцией и настройкой газораспределительного механизма, систем впуска и выпуска, топливной системы, а также алгоритмом работы систем управления подачей топлива, зажиганием, наддувом воздуха и фазами газораспределения и лишь в малой степени связана со скоростью вращения коленчатого вала. Максимальная мощность развивается двигателем при достижении таких значений оборотов коленчатого вала, которым будут соответствовать оптимальные настройки и рабочие показатели перечисленных систем и механизмов, обеспечивающие необходимые условия смесеобразования, сгорания смеси и очистки цилиндров. Во всех других случаях (обороты выше или ниже) мощностные показатели двигателя будут ниже максимальных значений.
В технической литературе обороты, на которых достигается максимальная заявленная мощность двигателя, именуются «оборотами максимальной мощности ».
Двигатели, максимальная мощность которых достигается на высоких скоростях вращения коленчатого вала (5000 об/мин и более), называются скоростными (высокооборотистыми). Двигатели, максимальная мощность которых достигается на низких скоростях вращения коленчатого вала (менее 5000 об/мин), называются тихоходными (низкооборотистыми). С точки зрения потребительского интереса к продукции автопрома, очень упрощённо, но можно говорить о том, что мощностные показатели двигателя определяют скоростные свойства автомобиля. То есть, высокооборотистый двигатель, при прочих равных условиях, обеспечит лучшие скоростные характеристики автомобиля, нежели низкооборотистый двигатель. Максимальной скорости автомобиль будет достигать на оборотах максимальной мощности. При достижении двигателем режима максимальной мощности двигатель начинает работать только на преодоление сил сопротивления движению, автомобиль не разгоняется.

Для сравнительной оценки различных двигателей с точки зрения совершенства рабочего процесса и конструктивного исполнения пользуются величиной «литровая мощность ». Литровая мощность равна отношению мощности двигателя к его рабочему объёму (P L = P ef /V d ). Данная величина показывает, какая мощность может быть «снята» с одного литра рабочего объёма двигателя. Чем больше литровая мощность тем, при прочих равных параметрах, меньше относительные габариты и удельная масса двигателя, тем выше его технико-конструктивные показатели. Литровая мощность современных моторов лежит в пределах 15 – 37 кВт/л - для бензиновых двигателей, и 6 – 22 кВт/л - для дизелей.

Крутящий момент

При работе двигателя на его коленчатом вале развивается крутящий момент, который через механизмы трансмиссии передаётся на ведущие колёса автомобиля и приводит автомобиль в движение. Крутящий момент (M k ) равен произведению силы (F ) на плечо её действия (r ) и измеряется в ньютонах, умноженных на метр (H x m ) или в килограмм силах, умноженных на метр (кгс x м).
Mk=F x r ;
В двигателе силой действия является давление газов. Плечом действия силы является кривошип коленчатого вала. Чем выше давление газов, действующее на поршень, и больше радиус кривошипа, тем больший крутящий момент развивает двигатель. Величина давления рабочих газов зависит от ряда условий, рассмотренных в предыдущем подразделе (Мощность двигателя). Радиус кривошипа определяется конструкцией двигателя.
Крутящий момент двигателя растёт с увеличением оборотов коленчатого вала и достигает максимального значения на т.н. "оборотах максимального крутящего момента" . Обороты коленчатого вала, соответствующие оборотам максимального крутящего момента, для разных типов двигателей лежат в пределах 1500 – 3000 об/мин (дизели) и 3000 – 4500 об/мин (бензиновые моторы). «Привязка» максимального крутящего момента к оборотам коленчатого вала, как и в случае с мощностью, обусловлена настройкой газораспределительного механизма мотора его впускного и выпускного тракта, а также системы питания и управления двигателем.
Мощность и крутящий момент двигателя связаны формулой: M k = 716,2 P ef /n (кгс м);
Крутящий момент передаётся трансмиссией на ведущие колёса автомобиля и определяет силу тяги ведущих колёс: F t = M k x c x η /r , где F t – сила тяги; M k – момент крутящий; c – суммарное передаточное число трансмиссии; η – КПД трансмиссии (0,88 – 0,95); r – радиус ведущих колёс.
С точки зрения потребительского интереса к продукции автопрома, упрощённо, но можно говорить о том, что крутящий момент определяет тяговые характеристики автомобиля. Чем больший крутящий момент развивает двигатель, тем выше тяговые усилия на ведущих колёсах. Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую разгонную динамику автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги ведущих колесах.
Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше двигатель приспособлен к изменению дорожных условий (тем реже придется переключать передачи).
Большими крутящими моментами обладают малооборотистые моторы.

Топливная экономичность

Экономичность работы автомобильного двигателя измеряется количеством топлива в граммах, израсходованного на каждую единицу мощности за единицу времени (один час) и называется «удельным расходом топлива » (g e г/кВт час). Расход топлива увеличивается с ростом оборотов коленчатого вала и зависит от совершенства конструкции двигателя и его технического состояния. Суммарный (общий) расход топлива характеризуется расходом топлива в килограммах за один час работы и называется «часовым расходом топлива » (G T кг/ч). Удельный расход топлива может быть определён по формуле g e = G T 1000/ P ef (г/кВт ч).

Читайте также

Доклад на тему - тестостерон – допинг Нормы тестостерона при прохождении допинг контроля

Основные фармакологические эффекты атропина Для чего применяется атропин

Икона Божией Матери «Чимеевская Чимеевская икона божьей матери всегда в чимеево

Чудотворная икона пресвятой богородицы казанская жадовская Жадовская икона божией матери