Предмети:
- Крутний момент двигуна
- Потужність двигуна
- Вимірювання крутного моменту і потужності
- Кінська сила і кіловат
Крутний момент двигуна:
Крутний момент двигуна - це сила, з якою обертається колінчастий вал двигуна. Крутний момент створюється комбінацією сили згоряння на поршні та відстані радіуса кривошипа. Зусилля, яке діє на поршень, залежить, серед іншого, від ступеня наповнення (кількість повітря) і кількості палива та змінюється через постійну зміну кута передачі потужності до шатунного пальця. З нього можна розрахувати середній тиск поршня індикаторна діаграма або отримати pv діаграму.
На наступному малюнку ми бачимо, як поршень штовхається вниз силою горіння (p). Цей тиск горіння створює силу F, силу поршня. Зусилля поршня передається на шийку колінчастого вала (r) через шатун (S). Це створює так звану дотичну силу (Ft).
Крутний момент розраховується за формулою Ft xr (тангенціальна сила, помножена на радіус кривошипа) і виражається в Нм (Ньютон-метрах).
Легенда:
p = тиск на поршень.
F = сила, що діє на поршень
N = сила направляючої
S = Сила на шатуні
r = радіус кривошипа
Ft = тангенціальна сила
Через зміну тиску згоряння і закручування кривошипно-шатунного механізму тангенціальна сила також не є постійною величиною. Тому ми працюємо із середньою тангенціальною силою.
Ми можемо визначити тангенціальну силу, розклавши поршневу силу (див. зображення нижче та сторінку “розчинити силу поршня).
Крутний момент двигуна залежить виключно від сили, що діє на поршень, оскільки всі інші змінні, такі як діаметр поршня та радіус кривошипа, є фіксованими даними двигуна. Сила на поршні (Fz) компенсується тиском згоряння (p) і залежить від ступеня наповнення двигуна (при стехіометричному співвідношенні змішування). Головним чином дроселювання у впускному колекторі визначає рівень наповнення двигуна.
Найбільше дроселювання викликає положення дросельної заслінки. Положення дросельної заслінки найбільше впливає на крутний момент двигуна: адже ми впливаємо на продуктивність двигуна, змінюючи положення дросельної заслінки. У тестовій установці ми вимірюємо максимальний крутний момент, коли дросельна заслінка повністю відкрита.
Крутний момент не скрізь однаковий при різних швидкостях і повністю відкритому дроселі. Завдяки мінливій швидкості газу та фіксованим кутам відкриття клапана крутний момент буде оптимальним лише на певній швидкості.
На зображеннях нижче ми бачимо діаграми потужності та крутного моменту двох типів дизельних двигунів, які використовуються в BMW 3-ї серії (E9x). З обома двигунами крутний момент досягається приблизно при 1800 об/хв, але явно вищий у 320d, ніж у 316d. Обидва двигуни мають об'єм циліндрів 2.0 л. Вищий крутний момент став можливим, серед іншого, завдяки наддуву, клапанам у впускному колекторі та відображенню системи керування двигуном, яка, окрім крутного моменту, визначає споживання та викиди вихлопних газів.
Потужність двигуна:
Окрім крутного моменту двигуна, у заводських характеристиках також згадується потужність двигуна. Потужність двигуна - це множення крутного моменту двигуна на швидкість двигуна. Насправді потужність — це кількість крутного моменту, яку можна передати за секунду. Офіційна формула:
де P — потужність у Нм/с або Вт, M — крутний момент у Нм, а ω (омега) — кутова швидкість. Літера Т також використовується для позначення пари замість М.
Оскільки кутова швидкість (ω) дорівнює 2 * π * n, де n — кількість обертів за секунду, ми можемо змінити формулу на:
Як приклад ми візьмемо атмосферний чотирициліндровий 2.0-літровий двигун FSI з чотирма клапанами на циліндр від VAG (код двигуна: AXW). Звичайно, ми можемо зчитувати крутний момент і потужність з графіка, але в цьому розділі ми обчислюємо потужність на основі крутного моменту.
Факти:
- крутний момент двигуна: 200 Нм;
- швидкість: 3500 об/хв = 58,33 об/с.
Бажано: потужність, що передається на даній швидкості.
Крутний момент і потужність при 3500 об/хв становлять 200 Нм і 73,3 кВт.
Вимірювання крутного моменту та потужності:
Крутний момент безпосередньо відповідає за тягову силу автомобіля. Крутний момент множиться на передавальне число (i) коробки передач і кінцевого редуктора і ділиться на радіус навантаження (rb) ведучих коліс (див. сторінку розрахувати передавальні числа).
Крутний момент двигуна вимірюється шляхом гальмування двигуна з повністю відкритою дросельною заслінкою на різних швидкостях. За допомогою гальмування двигуном обрана швидкість підтримується постійною. Гальмівна сила двигуна, помножена на радіус об’єкта вимірювання, на який діє сила, є крутним моментом двигуна.
Для вимірювання потужності можна використовувати вихрове гальмо. Вимірювання відбувається безпосередньо на колінчастому валу. Електромагніти створюють вихрові струми в металевому диску, завдяки чому гальмівна сила визначається шляхом вимірювання вигину торсійного елемента. При вимірюванні потужності двигуна на вихрострумовому гальмі швидкість і крутний момент є вимірюваними величинами. Потужність визначається розрахунком (див. попередній параграф).
Потужність транспортного засобу також можна виміряти безпосередньо на колесах. Однак потрібно враховувати втрати до 70%. Ці втрати виникають у трансмісії. Потужність на осі (потужність, виміряна на колесах на випробувальному стенді) також називається кінськими силами DIN. Потужність, виміряна на маховику, називається кінською силою SAE. SAE означає Товариство автомобільних інженерів. Тому значення SAE завжди буде вищим, ніж значення DIN.
Металеві ролики випробувального стенду з'єднані з гальмівним механізмом, часто з вихровим гальмом. Сила, з якою гальмуються ролики, разом зі швидкістю обох коліс і колінчастого вала, вимірюється крутний момент і обчислюється потужність. Вимірювання зазвичай проводять на найвищій або другій найвищій передачі з повністю натиснутою педаллю газу. Втрата від 15 до 30% не є чимось незвичайним для автомобілів з двоколісним приводом. Комп’ютер динамометра компенсує цю втрату, вимірюючи, скільки енергії потрібно динамометру, щоб керувати транспортним засобом. Під час цього вимірювання автомобіль рухається накатом із натиснутим зчепленням.
Виробники або тюнери намагаються тримати криву крутного моменту якомога пласкішішою, щоб крутний момент двигуна залишався незмінним протягом якомога більшої кількості обертів. Зокрема, двигуни з наддувом (турбо/компресор), які значно підвищують крутний момент, можна регулювати настільки рівно, наскільки це можливо. Крім того, застосовуючи методи підвищення рівня наповнення, наприклад багатоклапанні двигуни, змінна фаза газорозподілу або a змінний впускний колектор область з’єднання може бути максимально рівною.
Якби ми виміряли крутний момент у різних положеннях дросельної заслінки, ми б отримали прогресію, як на наступному зображенні. Однак таке вимірювання проводиться рідко.
Кінська сила (к.с.) і кіловат (кВт):
Для вираження працездатності автомобіля використовуються одиниці «кінська сила» і «кіловат». Потужність залежить від крутного моменту в секунду. Визначення кінської сили походить з часів, коли транспорт був ще конем і возом. Якщо масу 75 кілограмів підняти на відстань 1 метр протягом 1 секунди, буде передана потужність 1 кінська сила. Отже, 1 кінська сила дорівнює 75 кг * 1 метр / 1 секунда.
Якщо ми подивимося на потужність з одиниці Ватт, то 1 Ват є множенням 1 Ньютона на 1 метр на секунду. Ми скорочуємо це як [1 Нм/с].
Кінська сила (к.с.), що використовується в Нідерландах, точно така ж, як у німецького Pferdestärkte (PS) і французького Chaval-Vapeur (CH).
1 к.с. = 0,7355 кВт
1 кВт = 1,3596 к.с
Англійська/американська кінська сила (к.с.) більша.
1 к.с. = 0,7457 кВт
1 кВт = 1,3410 к.с
Якщо ми перетворимо кінські сили на Вати, ми повинні помножити масу на прискорення земного тяжіння: 1 HP = 75 кг/с * 9,81 м/с^2 = 7355 Вт = 0,7355 кВт.
Щоб перерахувати потужність двигуна 150 к.с., помножимо на кількість кг/с. з кількістю кінських сил. Результат: (150 * 75) * 9,81 = 110,4 кВт.
Ми також можемо перетворити потужність у Ватах на кінські сили. Робимо це наступним чином: 1 / 0,7355 (Вт) = 1,36 к.с. Двигун потужністю 92 кВт видає з розрахунку: (1 * 92) / 0,736 = 125 к.с.
Пов'язані сторінки:
