Автомобильная промышленность неизбежно ассоциируется с двигателями внутреннего сгорания, которые используются в автомобилях. После многолетнего опыта четырехтактные двигатели внутреннего сгорания доминировали на рынке как наиболее подходящие. Основные особенности работы двигателя широко известны и, благодаря популярности автомобилестроения, известны большинству водителей. Общие знания о двигателях означают, что при выборе автомобиля почти все обращают внимание на рабочий объем, мощность двигателя и расход топлива. Более любознательных также заинтересует значение максимального крутящего момента и его ход. Крутящий момент является основным параметром, характеризующим работу двигателя внутреннего сгорания. При проектировании двигателей ставится цель получить максимально возможный крутящий момент в максимально широком диапазоне частот вращения двигателя. Мощность двигателя, с другой стороны, является результатом комбинации этих двух параметров: крутящего момента и скорости вращения. На динамометрических стендах при испытаниях двигателя измеряют крутящий момент и частоту вращения, и по этим двум параметрам рассчитывается мощность.
Что такое крутящий момент?
С точки зрения физики крутящий момент — это то же самое, что и сила, за исключением того, что это сила вращения. На рисунке ниже показано, что такое крутящий момент на самом деле. На плече длиной 1 метр, соединенном с коленчатым валом двигателя, находится груз массой 10 кг. Чтобы вал двигателя вращался, он должен достичь крутящего момента 98,1 Нм (ньютон-метр). Это связано с простыми расчетами, представленными ниже.
Переведем массу грузила в килограммах в вес (силу), выраженный в ньютонах (Н). Для этого нам нужно умножить его на ускорение свободного падения «g», которое равно 9,81 метра в секунду в квадрате (м/с²).
10 кг × 9,81 м/с² = 98,1 кг × м/с²
Согласно правилам физики, один килограмм, умноженный на метр в секунду в квадрате, равен ровно 1 ньютону (Н), то есть:
98,1 кг × м/с² = 98,1 Н
Теперь, когда мы знаем силу, действующую на руку, нам просто нужно умножить ее на длину руки (которая в нашем случае равна 1 метру):
98,1 Н × 1 м = 98,1 Н × м
А ньютон, умноженный на метр, есть не что иное, как ньютон-метр (Нм), то есть:
98,1 Н × м = 98,1 Нм
Можно грубо сказать, что если двигатель имеет максимальный крутящий момент 200 Нм при 2500 об/мин, он выдержит около 20 кг на измерительном рычаге.
Что такое мощность двигателя?
Как упоминалось ранее, мощность двигателя зависит от крутящего момента и скорости вращения двигателя. Другими словами, мощность — это то, сколько энергии мы можем получить в единицу времени. Так что чем выше крутящий момент на высоких оборотах, тем большую мощность двигателя мы получим. Математически мощность является произведением крутящего момента и мощности двигателя. Однако для того, чтобы расчеты были правильными, они должны производиться в правильных единицах измерения. Скорость вращения должна быть выражена в радианах в секунду, а ньютон-метры являются правильной единицей измерения крутящего момента. Для упрощения расчетов вместо замены единиц измерения лучше ввести фиксированное значение, полученное в результате изменения единицы измерения. Он одинаков во всех расчетах и равен 9549,3. Единицей мощности является киловатт (кВт). В остальной части статьи описано, как поменять силовой агрегат на более популярный в лошадиных силах. Характеристики двигателя 3.0 TDI от Audi Q7 будут использованы для выполнения примера расчета. Этот двигатель развивает максимальный крутящий момент 500 Нм в диапазоне от 1500 до 3000 об/мин и максимальную мощность 176 кВт при 4000 об/мин. Расчет мощности производился для нескольких частот вращения по формуле:
Что такое мощность и крутящий момент 11
Пример расчета:
частота вращения 1500 об/мин, крутящий момент 500 Нм .
Что такое мощность и крутящий момент 12
Тот же крутящий момент, частота вращения двигателя увеличена до 3000 об/мин.
Что такое мощность и крутящий момент 13
Максимальная мощность: скорость 4000 об/мин и крутящий момент 420 Нм.
Что такое мощность и крутящий момент 14
Киловатты и лошадиные силы
Базовой единицей в физике для определения мощности является ватт. В более мощных машинах ватты делятся на тысячу, чтобы получить киловатты (кВт). Однако в автомобильной технике принято использовать лошадиные силы как единицу мощности. К сожалению, существует много путаницы с лошадиными силами. Это связано с двумя разными единицами, называемыми лошадиными силами. Первый – это так называемый силовая лошадь, которая является британской единицей, обозначаемой как HP. Вторая единица – метрическая лошадиная сила, принятая в Германии (обозначение PS), Италии (обозначение CV), Франции и Японии. В Польше в качестве лошадиной силы принято использовать метрическую лошадиную силу (КМ). Разница между двумя единицами невелика и составляет 1,4%. Примером путаницы с отдельными лицами был, например. Subaru Impreza GT, еще в 90-х. Одни источники заявляли, что машина имела мощность 218 лошадиных сил, а другие — 221 лошадиную силу. В настоящее время в основном используются метрические лошадиные силы, то есть те, которые дают более высокое значение.
Пример расчета для двигателя Audi Q7:
Метрическая мощность:
78,5 кВт / 0,7355 = 106,8 л.с.
157,1 кВт / 0,7355 = 213,6 л.с. 175,9 кВт / 0,7355 = 239,2 л.с.
Механическая мощность:
78,5 кВт / 0,7457 = 105,3 л.с.
кВт / 0,7457 = 235,9 л.с.
Практическое значение мощности и крутящего момента
Как объяснялось ранее, крутящий момент эквивалентен силе, которую мы можем получить от двигателя. С практической точки зрения сила отвечает за ускорение и буксировку автомобиля. Конечно, всем известно, что машина с большей мощностью лучше разгоняется. Однако это связано с тем, что он имеет высокий крутящий момент на высоких оборотах, т.е. даже на высоких оборотах имеет мощность для ускорения автомобиля. Мощность, с другой стороны, в основном отвечает за максимальную скорость. Однако следует отметить, что максимальная скорость автомобиля сильно зависит от передаточных чисел трансмиссии. Если максимальная мощность автомобиля приостановлена, но максимальная мощность достигается при тех же оборотах двигателя, то максимальная скорость автомобиля останется прежней. Более того, при движении на максимальной скорости двигатель не будет достигать максимальной мощности.
Крутящий момент дизельного и бензинового двигателя
Именно разница в крутящем моменте между бензиновыми и дизельными двигателями отвечает за разные ощущения от вождения. Даже если у автомобиля бензиновый двигатель и дизельный двигатель одинаковой мощности, например, 150 л.с., эти автомобили разгоняются по-разному. В дизельном двигателе крутящий момент очень высок, но в узком диапазоне частот вращения. Поэтому во время движения мы чувствуем сильное ускорение, но оно быстро заканчивается и приходится тянуться к следующей передаче. В бензиновом двигателе крутящий момент ниже, но он также доступен при более высоких оборотах, например выше 4000 об/мин. Благодаря этому двигатель разгоняется не так быстро, как дизель, но мы можем дольше разгоняться на отдельных передачах.