График зависимости мощности от частоты вращения

Что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Мощность двигателя – это величина, показывающая, какую работу способен совершить мотор в единицу времени. То есть то количество энергии, которую двигатель передает на трансмиссию за определенный временной промежуток. Измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с.).

Как рассчитывается мощность двигателя?

Расчет мощности мотора проводится несколькими способами. Самый доступный способ – через крутящий момент. Умножаем крутящий момент на угловую скорость – получаем мощность двигателя.

N_дв=M∙ω=2∙π∙M∙n_дв

N_дв – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент, Нм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек;

π – математическая постоянная, равная 3,14;

n_дв – частота вращения двигателя, мин-1.

Мощность рассчитывается и через среднее эффективное давление. Камера сгорания имеет определенный объем. Разогретые газы воздействуют на поршень в цилиндре с определенным давлением. Двигатель вращается с некоторой частотой. Произведение объема двигателя, среднего эффективного давления и частоты вращения, поделенное на 120, и даст теоретическую мощность двигателя в кВт.

N_дв=(V_дв∙P_эфф∙n_дв)/120

V_дв – объем двигателя, см3;

P_эфф – эффективное давление в цилиндрах, МПа;

120 – коэффициент, применяемый для расчета мощности четырехтактного двигателя (у двухтактных ДВС этот коэффициент равен 60).

Для расчета лошадиных сил киловатты умножаем на 0,74.

N_(дв л.с.)=N_дв∙0,74

N_дв л.с. – мощность двигателя в лошадиных силах, л. с.

Другие формулы мощности двигателя используются в реальных расчетах реже. Эти формулы включают в себя специфичные переменные. И чтобы измерить мощность двигателя по другим методикам, нужно знать производительность форсунок или массу потребленного двигателем воздуха.

На практике расчет мощности автопроизводители выполняют эмпирическим способом, то есть замеряют на стенде и строят график зависимости по факту, на основании полученных во время испытаний показателей.

Мощность двигателя – величина непостоянная. Для каждого мотора есть кривая, которая отображает на графике зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала. До определенного пика, примерно до 4-5 тысяч оборотов, мощность растет пропорционально оборотам. Далее идет плавное отставание роста мощности, кривая наклоняется. Примерно к 7-8 тысячам оборотов мощность идет на спад. Сказывается перекрытие клапанов на большой частоте вращения коленвала и падение КПД мотора из-за недостаточно интенсивного газообмена.

Чтобы узнать мощность двигателя, обратитесь к инструкции по эксплуатации авто. В разделе с техническими характеристиками мотора будет указана мощность и обороты, при которых она достигает пикового значения. Если мощность указана киловаттах, чтобы рассчитать лошадиные силы двигателя, воспользуйтесь приведенной выше формулой. В некоторых случаях автопроизводитель предоставляет график, на котором есть зависимость мощности двигателя и крутящего момента от частоты оборотов.

Видео: Простыми словами без сложных формул и расчетов, что такое мощность, крутящий момент и обороты двигателя.

Мощность ДВС определяет, насколько быстро автомобиль способен передвигаться или ускоряться (совершать работу). Полезная мощность двигателя рассчитывается с учетом потерь в трансмиссии, то есть указывает, сколько от изначальной мощности мотора по факту доходит до колес авто.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент в двигателе автомобиля – это вращающая сила, которая численно равна произведению приложенной силы (давление раскаленных газов на поршень) на плечо (расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала в проекции, перпендикулярной оси вращения коленвала). Измеряется крутящий момент в ньютонах на метр (Нм).

Крутящий момент ДВС зависит от силы давления на поршень и расстояния между коренными и шатунными шейками. Зависимость здесь прямая. Чем больше плечо и чем больше давление на поршень – тем больше крутящий момент двигателя.

У дизельных двигателей степень сжатия больше. Больше и ход поршня в цилиндре (при равном с бензиновым мотором диаметре цилиндров). А это значит, что и расстояние между коренными и шатунными шейками будет больше. То есть длиннее плечо. За счет большей степени сжатия при рабочем такте у дизелей выше сила, давящая на поршень. Крутящий момент в дизельных моторах при прочих равных больше, чем в бензиновых.

Крутящий момент влияет на то, сколько энергии отдает мотор в текущий момент времени. Крутящий момент есть та величина, которая определяет фактически передаваемую в данный момент времени энергию на трансмиссию. Чем больше момент, тем сильнее тяга двигателя при текущих оборотах.

Что лучше: мощность или крутящий момент

Мощность и крутящий момент двигателя – величины взаимосвязанные. Это хорошо видно в формуле из первого пункта.

Пик крутящего момента на графике зависимости от частоты вращения мотора появляется раньше, чем пик мощности. Это справедливо как для дизельных, так и для бензиновых моторов. Однако у дизелей крутящий момент достигается раньше, и плато (интервал частоты вращения при пиковом значении) длиннее. У бензиновых ДВС мощность выше, хотя для ее достижения нужно раскрутить мотор почти до максимальных оборотов.

Сказать определенно, что лучше: мощность или крутящий момент, нельзя. Все зависит от случая. Трансмиссия современного авто способна трансформировать эти величины под требуемые условия. Поясним на примерах.

Для тяжелой техники, которой важна тяга в широком диапазоне оборотов, важнее крутящий момент. Мотор должен хорошо тянуть. Раскручивать его до предельных оборотов не нужно. Отчасти поэтому почти вся коммерческая техника оснащается дизельными моторами.

В гоночных автомобилях важнее мощность. Моторы этих авто по оборотам пилоты во время заездов держат в красной зоне. Двигатель отдает максимальную мощность. А трансмиссия преобразовывает мощность в тягу.

Для гражданских авто важен стиль вождения. Для езды на автомате подойдут оба мотора. Автоматическая трансмиссия будет держать мотор в диапазоне оборотов, при которых двигатель отдает максимум своего потенциала.

Для агрессивной езды на механике с раскручиванием двигателя в красную зону тахометра лучше подойдет бензиновый мотор. Но в этом случае нужно понимать, что для получения максимальной производительности от мотора потребуется держать его на пике оборотов и часто переключать передачи. Пик мощности у бензинового ДВС имеет малый диапазон и находится около максимальных оборотов. Для уверенных обгонов и ускорений нужно будет понижать передачу и раскручивать двигатель.

Для размеренной езды, особенно в городе, больше подходит дизель. Для обгона на дизельном авто зачастую не потребуется переходить на пониженную передачу, а высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов позволит реже переключаться.

Источник

График мощности и крутящего момента

На написание данной статьи подвигла частая путаница между такими понятиями как мощность и крутящий момент.

График мощности и крутящего момента — о чем он говорит?

Пример графика мощности и крутящего момента, полученный со стенда для испытания двигателей PowerTest.

Где

• ω — угловая скорость вращения вала
• M — крутящий момент
• π — число

3.1416

n — частота вращения, измеряемая в оборотах в единицу времени (в данном случае одна минута).

Важно отметить что мощность в этой формуле получается в ваттах, для получения результата в лошадиных силах мощность в кВт необходимо умножить на коэффициент 0,735499.

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ (TORQUE) — это произведение силы в Н, которая приложена к валу не напрямую, а через рычаг (плечо) длиной 1 м, прикрепленный к валу (точка измерения крутящего момента), отсюда и единица измерения Н*м. При такой нагрузке происходит деформация вала ,только не изгиб, который был бы при нулевой длине плеча, а скручивание, при котором отдельные сечения вала не повторяют друг друга, а оказываются повернутыми друг относительно друга на определённые углы, тем большие, чем больше приложенная сила, или чем больше рычаг при одной и той же силе. По этой причине момент называют крутящим. Не следует ожидать, что вы увидите эту закрутку стального вала диаметром, например, 20 мм, нанеся перед нагрузкой на поверхность вала линии, параллельные его оси. Величина закрутки будет в реальности настолько мала, что её непросто измерить даже с помощью специальных приборов, измерителей крутящего момента.

ОБОРОТЫ (RPM — Revolutions Per Minute) — здесь все еще проще, это число оборотов, которое совершает ВАЛ за одну минуту. Измеряется в об/мин.

Часто кажется, что люди не вполне понимают разницу между МОЩНОСТЬЮ и МОМЕНТОМ, тем более, последние связаны друг с другом через еще один ключевой параметр, как на стенде испытаний двигателя, так и в условиях реальной эксплуатации. Это угловая скорость вращения вала.

Например к нам часто приходят запросы «Нам нужно измерить параметры двигателя мощностью 200л.с.» или «какой гидротормоз вы посоветуете на 140 кВт?»

Ответить на этот вопрос можно, но это не гарантирует что заказчик получит желаемый результат. Потому что в вопросе отсутствует информация о скоростных режимах испытываемого на стенде двигателя.

Почему это важно?

При выборе нагружающего устройства это критически важно, так как одну и ту же мощность двигатель может выдавать на стенде как при 1500 об/мин (дизельный двигатель), так и на 20 000 об/мин (двигатель гоночного мотоцикла). Для каждого типа двигателя необходимо подбирать соответствующее нагружающее устройство. А иногда даже не одно, а тандем из двух, первое из которых работает при низких оборотах, а второе при высоких. Если речь идет об испытаниях вновь создаваемых двигателей с широким скоростным диапазоном вращения вала.

Что это означает на практике?

Если отойти от теории, то график мощности и крутящего момента — это основные характеристики двигателя. Когда вы въезжаете на своем автомобиле в горку и пытаетесь поддерживать одну и ту же скорость, вам приходится сильнее нажимать на педаль газа. Многим при этом кажется, что мощность останется та же, т.к. скорость не меняется. Но это не так!

При движении в горку двигатель выдает большую мощность при тех же оборотах.
(при неизменной передаче). Это легко проверить, взглянув на текущий расход топлива.

Также это объясняет, зачем двигателю нужна коробка передач, ведь для эффективного разгона и преодоления подъёмов нам необходимо поддерживать обороты в диапазоне максимальной мощности двигателя.

А вот электромобили обходятся без нее. Кривая крутящего момента и мощности у электродвигателя намного более линейна, и к тому же электродвигатель выдает куда большую мощность на низких оборотах.

Зачем измерять мощность и крутящий момент?

Во-первых это необходимая процедура при разработке и сертификации любого нового двигателя.

Во-вторых эти данные помогут при дальнейшей настройке и доработке двигателя, чтобы добиться наилучших эксплуатационных характеристик.

В третьих кривая мощности и крутящего момента, если её сравнить с паспортной — это прямой показатель технического состояния любого двигателя.

Графики мощности дизельного двигателя до ремонта и после ремонта, полученные с испытательного стенда на базе гидротормоза, который можно приобрести в нашей компании.

Источник

График зависимости мощности от частоты вращения

В инструкциях к мотоциклам приводятся обороты коленчатого вала двигателя при максимальных мощности: и крутящем моменте. Почти в каждой новой модели их число выше, чем в предыдущей. Имеет ли это значение для практического вождения?» — спрашивает И. Абдураимов из Казани.

О взаимосвязи основных данных двигателя просят рассказать также мотолюбители В. Сокоренко из Полтавы, К. Лапшин из Иванова и другие.

Ответы на их вопросы содержатся в публикуемой статье инженера Э. В. КО-НОПА.

Мотоциклисты со стажем хорошо помнят ветерана ИЖ—49, с которым, кстати говоря, многие его владельцы, особенно из сельской местности, упорно не желают расставаться до сих пор.

В чем причина такой привязанности? А в том, что на этой машине почти по любым, самым скверным дорогам может ездить даже не очень опытный мотоциклист, тогда как не каждому удается столь же легко проехать там на более мощных «Юпитере» или «Планете». Попробуем разобраться в чем же тут дело. А для этого обратимся сначала к простейшей теории, без которой здесь не обойтись.

Внешняя скоростная характеристика двигателя, то есть зависимость его мощности и крутящего момента от числа оборотов коленчатого вала (или, как сейчас говорят, от частоты его вращения), графически показана на рис. 1.

1. График зависимости мощности (N, л. с.) и крутящего момента (Мкр, кГм) от частоты вращения коленчатого вала (п. об/мин) при полностью открытом дросселе (скоростная характеристика): Nрасп — располагаемая мощность: Мкр.раск — располагаемый крутящий момент; nMмакс — обороты максимального момента; nNмакс — обороты максимальной мощности.

Мы видим, что мощность растет лишь при повышении оборотов до определенной величины nNмакс(режим максимальной мощности), а затем падает. Это объясняется тем, что при очень большой скорости вращения чрезмерно возрастают механические потери в двигателе, ухудшается работа его систем, наполнение цилиндров свежей смесью и т. д.

Крутящий момент двигателя МКр (кГм) и его мощность N (л. с.) связаны зависимостью МКр = 716,2 N/n (n — частота вращения двигателя в об/мин).

Мотоцикл снабжен коробкой перемены передач, которая позволяет в зависимости от условий движения изменять общее передаточное число от двигателя к ведущему колесу, а значит, и тяговое усилие на нем. На первой передаче при оборотах максимальной мощности мотоцикл развивает сравнительно небольшую скорость, но взамен водитель получает большой крутящий момент на заднем колесе и наибольшее тяговое усилие. Это позволяет легко трогаться с места, преодолевать крутые подъемы, тяжелые участки дороги.

Высшая же передача обычно выбирается из расчета достижения максимальной скорости при некоторых средних условиях: она зависит от множества факторов, таких, как рост и вес водителя и пассажира, их посадка на мотоцикле и одежда, тип шин и давление в них, покрытие дороги.

Для оценки характеристик мотоцикла удобно, зная общее передаточное число от двигателя к заднему колесу, вычислять крутящий момент, передаваемый к нему двигателем. На рис. 2 показана такая зависимость на выбранной нами (например, четвертой) передаче.

Рис. 2. График зависимости крутящего момента, передаваемого на заднее колесо (располагаемого момента Мрасп) от частоты вращения коленчатого вала n и скорости мотоцикла V.

С повышением скорости мотоцикла увеличиваются действующие на него силы сопротивления и создаваемый ими момент сопротивления на заднем колесе (или так называемый потребный момент). Это отражает соответствующая кривая Мсопр, которая поднимается более круто при повышении скорости. Кроме того, сопротивление движению растет при снижении давления в шинах, прямой посадке, установке чрезмерно большого ветрового щитка.

Если сравнивать движение двух водителей на одинаковых мотоциклах, то больший момент сопротивления и более крутое его нарастание с повышением скорости отметим на мотоцикле с водителем большего роста и веса.

Сопротивление на горизонтальном участке шоссе при безветрии показано кривой Мсопр1» а на участке с подъемом — кривой Мсопр2» проходящей в зависимости от угла подъема несколько выше. Встречный ветер изменяет вид кривой — она (МСОпр в) поднимается более круто.

Максимальная скорость мотоцикла при тех или иных условиях устанавливается тогда, когда по мере роста оборотов двигателя момент сил сопротивления становится равен располагаемому моменту, то есть тому, которым располагает водитель.

Из рис. 2 видно, например, что на горизонтальном участке шоссе при безветрии один и тот же водитель, не меняя посадки на мотоцикле, не может превысить скорость Vмакc (соответствует точке 1). Почему? Потому, что дальше момент сопротивления, продолжая увеличиваться, становится более располагаемого момента (двигатель, как принято говорить, «не тянет» машину быстрее). Но достаточно, например, водителю пригнуться, как сопротивление снизится (кривая опустится) и двигатель начнет «раскручиваться» уже до более высоких оборотов, увеличивая скорость мотоцикла.

Для других названных условий максимальная скорость определена точками пересечения соответствующих кривых М сопр2 и Мсопр в с кривой располагаемого крутящего момента. Обороты, при которых крутящий момент достигает максимума, меньше оборотов максимальной мощности, причем, чем более «выпукла» кривая Nрасп, тем больше разность между ними.

Более выпуклая, плавная форма кривых располагаемых мощности и крутящего момента характерна для мало форсированных, дорожных двигателей, а более «острая», пикообразная, с ярко выраженной вершиной — для сильно форсированных (рис. 3).

Рис. 3. График крутящих моментов Мкр и мощности N дорожного и форсированного двигателей.

Дело здесь в том, что при создании специальных форсированных двигателей для достижения максимума мощности все их системы вынужденно «настраивают» на определенный узкий диапазон высоких оборотов. В этом режиме выбранные размеры окон и каналов, фазы газораспределения, тип и размеры карбюратора, конструкция и размеры деталей системы впуска (воздухоочиститель, фильтр, патрубки) и выпуска, тип и характеристики свечей зажигания, система охлаждения действуют согласованно, все «сыграно», как в хорошем оркестре, для достижения наибольшего эффекта. Но на других, меньших оборотах в работе систем появляется разнобой, и характеристики двигателя, естественно, ухудшаются.

По этой причине на дорожных мотоциклах, предназначенных для повседневной эксплуатации рядовыми водителями малой и средней квалификации, применяются лишь умеренно форсированные двигатели, такие, как, например, все модели «ИЖ—Планета» (кроме «ИЖ—Планеты-спорт»), «ИЖ—Юпитер», «Восход», поставляемые к нам ЯВЫ.

Разумеется, со временем понятие умеренной форсировки изменяется, и потому все современные дорожные двигатели намного мощнее своих одноклассников, вышедших на дороги 20— 30 лет тому назад.

Как ведет себя двигатель, если при движении на максимальной скорости (запас мощности исчерпан) увеличивается нагрузка, например при подъеме. Посмотрим на рис. 2. Обороты двигателя были n1, на подъеме они, естественно, упадут до значения n2, а скорость снизится до V2. Крутящий момент двигателя на этих уменьшившихся оборотах больше, чем при максимальных, поэтому он и преодолеет возросшую нагрузку. Двигатель, как принято говорить, «приспособился» к новым условиям движения. Таким образом, правее точки 3 кривой крутящего момента (Мрасп) двигатель работает устойчиво, автоматически компенсируя повышение момента сопротивления вплоть до максимального значения, равного Мрасп. Теперь посмотрим, что происходит левее.

После повышения момента сопротивления до значения, при котором обороты двигателя на полном «газе» упадут иже величины nMмакс дальнейшее движение в тех же условиях на выбранной передаче может оказаться невозможным. Например, если при попытке преодолеть на «Планете-2» крутой затяжной подъем скорость от максимальной упадет до 75—80 км/час, немедленно следует включить низшую передачу. Значит, угол подъема на этом участке дороги больше предельно допустимого для четвертой передачи, которому на рис. 2 соответствует кривая Мсопр3. Она не пересекает кривой располагаемого момента, а лишь касается ее в точке 4, находящейся левее точки 3, так как кривая момента сопротивления вблизи этих значений скоростей имеет некоторый наклон к горизонтальной оси.

Точка 4, таким образом, делит кривую располагаемого крутящего момента на два принципиально важных участка: на правом двигатель может устойчиво работать, автоматически приспосабливаясь к случайным увеличениям момента сопротивления до максимума, а на левом двигатель работает неустойчиво, и здесь любое случайное повышение сил сопротивлений может привести к его остановке.

Заметим, что кривые моментов сопротивления протекают более круто при больших значениях скоростей. На малых и средних скоростях (практически же на всех скоростях для мотоциклов с двигателями умеренной мощности) наклоном этих кривых к горизонтальной оси можно пренебречь и считать, что точки 3 и 4 совпадают. Отсюда — простое правило при движении машины с максимальными нагрузками на двигатель: включать ту передачу, при которой двигатель работает на оборотах более высоких, чем обороты максимального крутящего момента (nMмакс).

До сих пор мы рассматривали условия движения при полной нагрузке. При нагрузках меньших, чем ограниченные кривой М расп (см. рис. 2), двигатель может нормально работать с оборотами значительно меньшими, чем nМмакс. горизонтальном участке шоссе при благоприятных погодных условиях на той же «ИЖ—Планете-2» можно ехать со скоростью около 35—40 км/час на четвертой передаче. Это близко к значениям минимальных оборотов nмин1 И скорости Vмин1 показанным на рис. 2. Разумеется, «опускаться» ниже этих значений при выбранных условиях на четвертой передаче нельзя.

Таким образом, заштрихованный участок на рис. 2, ограниченный кривыми Мрасп и Мсопр1. полностью характеризует возможности мотоциклиста: минимальную и максимальную скорости на четвертой передаче, максимальный преодолеваемый угол подъема или максимально возможное ускорение при любых скоростях — от минимальной до максимальной.

Понятно, что чем больше заштрихованная площадь, чем более «выпукла» кривая Мрасп , тем, в целом, динамичнее мотоцикл, поскольку тогда больше разность между располагаемым моментом и сопротивлением. Сравнивая эти данные у дорожного и форсированного двигателя, видим (рис. 3), что при оборотах ниже n1 и скоростях ниже V1 лучше разгоняться и преодолевать подъемы будет мотоцикл с дорожным двигателем. Но если обороты и скорость выше, то преимущество — у форсированного (считаем, что передаточные числа от двигателей к задним колесам у них одинаковы).

Как поступать, чтобы быстро разогнать мотоцикл? Помимо того, что нужно давать «полный газ» и быстро переключать передачи, крайне важно делать это своевременно! Переключать передачи мгновенно могут разве что гонщики-шоссейники. Мотолюбителям же следует стремиться к тому, чтобы в момент перехода на следующую пере-дачу обороты двигателя были близки к оборотам максимального крутящего момента. Для этого нужно запомнить соответствующие значения скорости на каждой из передач, «почерпнув» их из технического описания мотора. Иногда «переходные» значения скорости заводы-изготовители отмечали непосредственно на шкалах спидометров (например, мотоциклов ЯВА и ЧЗ до 1962 г.). Как преждевременное, так и запоздалое переключение передач («недокрутка» или «перекрутка» двигателя) на быстроте разгона мотоцикла сказываются отрицательно.

Вернемся же к «старине» ИЖ—49. Благодаря чему он так мил сердцу сельского мотоциклиста?

На рис. 4 показаны кривые располагаемых крутящих моментов двигателей ИЖ—49 и «ИЖ—Планеты-2». Запомним, что общие передаточные числа от двигателей к задним колесам у них одни и те же, и это позволяет их легко сравнить.

Рис. 4. График крутящих моментов двигателей ИЖ—49 и «Планеты-2».

Крутящие моменты двигателей одинаковы при числе оборотов около 3100 в минуту, но при меньших значениях крутящий момент двигателя «Планеты» быстро падает, тогда как «нефсрсиро-ванный» ИЖ—49 даже при 2000 об/мин обеспечивает крутящий момент в 2 кГм!

На этих мотоциклах 2000 об/мин соответствует скорость 16,5 км/час на первой передаче, но для безопасного движения по скользким, «раскисшим» проселкам нередко нужна скорость пешехода, на которой ИЖ—49 намного «тяговитее» «Плане-ты-2» — здесь ему практически нет равных.

Что же заставляет конструкторов форсировать двигатели, и чем все-таки «Планета-2» или «Планета-3» лучше старенького ИЖ—49? Вспомним же, что было сказано ьыше об ускорении мотоцикла: оно определяется разностью располагаемого и потребного крутящих моментов, то есть запасом крутящего момента. А этот запас при скоростях выше 70—75 км/час больше у «Планеты-2», что очень важно, если учесть год от года растущие скорости движения по магистральным дорогам. На высоких скоростях современный мотоцикл гораздо динамичнее своего «дедушки», на нем легче выполнять обгоны, преодолевать подъемы.

Намереваясь купить мотоцикл, будущий его владелец должен четко представлять, какая модель лучше подходит для условий его эксплуатации. Так, в местности с тяжелыми дорогами более форсированный «Юпитер» может оказаться менее универсальным и послушным, чем «Планета», и как бы он ни нравился, стоит подумать, не лучше ли более спокойный двигатель «Планеты». Это не значит, что «Юпитер» плох, но в конкретных условиях иногда будет невозможно использовать его преимущества. И знание отдельных элементов теории, о которых только что шла речь, позволит правильно оценить возможности машин разных моделей и более грамотно их эксплуатировать.

Источник