Определение мощности через крутящий момент
Перейти к содержимому

Определение мощности через крутящий момент

  • автор:

Мощность момент

Может ли бульдозер обогнать «формулу 1»? Может, но только на очень короткой дистанции

Как движется автомобиль 0.jpg

Часто эксперты автомобильных изданий, рассказывая о выдающейся динамике машины, в первую очередь превозносит огромный крутящий момент двигателя, оставляя мощности роль второго плана. Мол, благодаря именно моменту машина ровно и напористо разгоняется в широком диапазоне оборотов и скоростей. Особенно востребовано это качество на высших передачах, – ведь тяговые силы и ускорения на них в любом случае не столь велики, как на первой или второй передаче. А для безаварийного движения в потоке транспорта возможность быстро прибавить скорость зачастую играет судьбоносную роль. Ездить на таком автомобиле даже психологически легче. И все же, когда нужно быстрей разогнаться, что важней – мощность или крутящий момент?
Сразу отметим: чаще всего эти два параметра «конфликтуют»… в головах журналистов, охотно повторяющих признанные публикой «истины» без какого-либо их анализа. На самом же деле смешно рассматривать мощность в отрыве от крутящего момента и наоборот. Первая показывает энергию, ежесекундно вырабатываемую двигателем, тогда как крутящий момент – всего лишь силовой фактор, показывающий, как нагружен при работе коленчатый вал. Крутящий момент может существовать и сам по себе, без мощности. Например, при неожиданной остановке перегруженного двигателя на крутом подъеме, в песке, при буксировке тяжелого прицепа в какой-то миг момент еще есть, а движения уже нет. А в некоторых механизмах можно обнаружить и длительно действующий на какой-нибудь вал момент, удерживающий его от поворота. Например, в рулевом механизме, когда мы лишь удерживаем управляемые колеса в нужных положениях, тогда как дорога пытается их нарушить. А самый типичный пример: пытаясь открутить «прикипевший» болт, ключ удлинили метровой трубой, – а болт ни с места. Момент огромный, а работа не идет. А коли нет работы – то нет и мощности.

Мощность момент 0.jpg

Тут впору вспомнить школьную физику. Нарисуйте круг радиуса R – это будет сечение вала – и приложите к нему «касательную» силу F. Крутящий момент этой силы М = F • R. За один оборот вала сила F пройдет путь 2πR – и выполнит работу: А = F • R • 2π = М • 2π. А работа за n оборотов: А = М • 2π • n. Если n – число оборотов в минуту, то работа за одну секунду – то есть, мощность – составит N = М • 2πn /60.
Выражение 2π n /60 = 0,1047 n = ω – угловая скорость вала. Итак, N = М • 0,1047 n (Формула [1]).
Но мы имеем дело не только с вращающимися деталями, но и движущимися линейно. В этом случае в формуле (1) момент М заменим силой F, а угловую скорость ω – линейной v. Получим: N = F • v (Формула [2]).
Эти формулы равноправны. Замерив, например, тяговую силу колес, умножим на достигнутую машиной скорость – и найдем затрачиваемую мощность. Но если крутящий момент на ведущей оси умножить на угловую скорость колес, получим то же самое.
Итак, мощность – это работа (или энергия) израсходованная или произведенная за 1 секунду. Конечно, о «законе сохранения энергии» знает каждый. Говоря по пионерски, она «не возникает из ничего», но и не исчезает, не оставив следа. Так, лишь около четверти тепловой энергии, получаемой двигателем от сгорания топлива, превращается в механическую, соответствующая мощность (эффективная) тратится на движение машины. Большая же часть полученной в цилиндрах двигателя теплоты идет на «обогрев» окружающего нас мира.
Эффективная мощность тоже доходит до ведущих колес не вся – до 15 % ее может рассеять в виде тепла трение в узлах и агрегатах трансмиссии. Но для нас важней другое: если при открытом дросселе (или при полной подаче топлива в дизель) двигатель выдает на колеса сколько-то киловатт, то это – его «потолок». Никакими простыми механизмами вроде коробок передач, редукторов и т. п. превысить эту величину невозможно – этого «закон сохранения» не допустит.
Итак, крутящий момент – это удобный для нас «инструмент», связывающий процессы в двигателе с трансмиссией машины и ведущими колесами. Но не более того! Ракетчики, например, запрягают пламя напрямую, получают гигантские тяги и мощности, но о крутящих моментах вспоминают лишь в расчетах турбонасосных агрегатов, – да и то, если двигатели не твердотопливные!
Из формулы (1) видно, что для получения достаточной мощности вовсе не обязателен огромный крутящий момент, ведь в произведении два сомножителя. Почему бы, например, не увеличивать мощность при постоянном моменте, наращивая угловую скорость в каком-то диапазоне оборотов? При этом мощность растет по оборотам линейно. А постоянство момента в заданном диапазоне – не чудо, которым некоторые почему-то восторгаются, а всего лишь признак постоянства тяговых сил. Если пренебречь сопротивлением воздуха (к примеру, на первой передаче оно невелико), то и ускорение машины в этом диапазоне постоянное. Это довольно удобно для водителя. Но спросим себя: если бы в начале диапазона момент был таким же, а ближе к пресловутым «верхам» стал больше, стал бы с таким «подхватом» автомобиль хуже? – Вряд ли. Разве только что-нибудь нарушилось бы в смысле экологии.
Мощность можно менять и при постоянных оборотах. Пример: мы ехали со скоростью 90 км/ч по горизонтальному шоссе, а с началом подъема, дабы сохранить скорость, пришлось больше открыть дроссель. Это увеличение момента в чистом виде.
Итак, имеем дело с формулой (1). К примеру, перед нами скромный двигатель грузовика с моментом 35 кгм при оборотах 3000 в минуту. Какова мощность? Тут отметим, что в расчетах всегда важен правильный выбор единиц измерений параметров. Угловую скорость измеряют в 1/сек. А момент? – В старых единицах это кгм. Получаем: N = 35 кгм . 0,1047 . 3000 1/сек = 10993 кгм/сек ≈ 146,6 л.с. А в современной системе СИ: 35 кгм = 343,35 Нм. Тогда N = 343,45 Нм • 0,1047 • 3000 1/сек ≈ 107846 Вт.
На всякий случай напомним, что 1 лс = 75 кгм/сек = 75 • 9,81 Нм/сек = 735,75 Вт. Поэтому 107846 Вт ≈ 146,6 л.с.
А теперь прикинем мощность «формульного» двигателя с таким же скромным моментом, но при оборотах 18 тысяч! Результат – 880 л.с. (647 кВт), которые обеспечивают машине роскошную динамику. Никакого чуда нет: чем больше циклов совершит наш «моментик» за одну секунду, тем больше и совершенная им работа. Еще пример. В авиатехнике ныне практически господствуют газотрубинные двигатели. Повторив наш расчет для небольшого двигателя, с оборотами свободной турбины 40 тысяч в минуту, получим мощность около 1950 л.с. или 1438 кВт. Момент турбины невелик, но ведь воздушный винт приводится от нее не напрямую, а через редуктор, – а уж «мощи» ему хватает!
Но вернемся к автомобилю. Как уже сказано, любому комфортней ездить на машине, у которой под капотом достаточно и мощности, и момента. Но многим приходится ездить на скромных авто, возможности коих, как нынче говорят, «очень бюджетные»! Всякий, кто не умеет вовремя переключать передачи, с ними испытывает неприятности. Значит, надо учиться, друзья. Ну а что делать владельцу авто с АКП? На смену недовольству двигателем зачастую приходят претензии к автомату. Нередко – справедливые, ведь у АКПП тоже случаются специфические болячки, требующие ремонта. Но часто они оказываются не обоснованными: современный автомобиль, насыщенный электроникой и настроенный изготовителем на строгое выполнение жестких экологических норм, вовсе не обязан подстраиваться под любую российскую лихость!
Гусеничному трактору дернуться и оборвать сцепку – плевое дело. Это похоже на выстрел из ружья – можно на миг и «формулу I» опередить. А дольше – никак. Ружье от ракеты отличается принципиально: последняя сохраняет нужное ускорение достаточно долго. В свое время, при стартах к Луне гигант «Сатурн 5» массой свыше 3100 т отделялся от пускового устройства мягко, как пассажирский поезд, – с ускорением чуть больше 1 м/сек 2 . А минут через пять, по мере выгорания топлива, настолько «терял в весе», что его скорость перед выключением первой ступени составляла 3 км/сек.
Низшая передача бульдозера крайне «коротка»: чуть «перекрутил» – тяга упала. А другие не лучше, – вон и «формула» уже растворилась за горизонтом, так что для серьезных игрищ «мощи» на гусеницах маловато.
Если пренебречь разницей в КПД передач (она невелика), то на любой передаче машину движут одни и те же киловатты. Но движут по-разному. Момент и тяговая сила на ведущих колесах подчиняются «золотому правилу»: сколько процентов выиграешь в скорости, столько потеряешь в силе. Это показывают рис. 1 и 2. Если двигатель заведомо слаб, с ним сильно не разгонишься.

Мощность момент 1.jpg

Рис. 1. Величины мощности N1 . N5 на ведущей оси не зависят от включенной передачи. Точки пересечения кривой Nсопр с кривыми N3, N4 и N5 дают информацию о максимальных скоростях автомобиля на этих передачах. Здесь самая скоростная на горизонтальной дороге в безветрие – четвертая.

Вся история современной транспортной техники – это непрерывная борьба за большие мощности. У наиболее знаменитых ракетоносителей они давно превысили 100 миллионов кВт. Это не ошибка — именно 100 000 000 000 Вт, или 100 ГигаВатт. И хотя притязания автомобилиста не столь велики, «прохватить» на динамичной машине всякий не прочь.
Главные враги любителя скорости – не гаишники, а силы, тормозящие движение, – от этих не откупишься! Мощность сопротивления воздуха вкупе с мощностью шинных потерь показаны на рис. 1 линией Nсопр.
(Желающие посчитать, могут воспользоваться следующими формулами. Nсопр. = Nw + Nf. Мощность аэродинамических потерь Nw для автомобиля весом 15000 Н при плотности воздуха 1,25 кг/м 3 , Сх = 0,3 и лобовой площади S = 2 • м 2 составляет: Nw = (0,3 • 2 • 1,25)/2 • v 3 = 0,375 v 3 Вт. А мощность шинных потерь Nf = 0,015 • 15000 • v = 225 v Вт. При 100 км/ч Nсопр составляет лишь 14,5 кВт. А при 200 км/ч – 77 кВт. Разница впечатляет?)
Колеса автомобиля, борясь с мощностями сил сопротивления, при максимальной скорости полностью расходуют мощность, получаемую от двигателя. Но ее характеристика (например, показанная кривой N4 на рис.1) при полностью открытом дросселе похожа на гору с округлой макушкой, тогда как характеристика мощности сопротивлений Nсопр. поднимается как крутая парабола. Чтобы полностью использовать арсенал мощности двигателя – и получить максимум скорости V4 (на горизонтальной трассе, без ветра), передаточное число трансмиссии и размер шин подбирают так, чтобы кривая Nсопр пересекла кривую N4 возле вершины. Максимальные скорости на третьей и пятой передачах (V3 и V5) существенно ниже. Но на спуске или с ветром вдогон выгодней может стать пятая передача, а на подъеме или с ветром в лоб – третья.
Другие враги скорости – подъем дороги и встречный ветер. Подъем с углом всего 1,5% добавит к потерям в шинах еще столько же. Но еще коварней ветер. Его скорость сложится со скоростью машины относительно дороги, – и уже эту сумму в расчете затрат мощности надо возвести в куб! При скорости по спидометру 36 км/ч (10 м/сек) и ровном встречном ветре 5 м/сек мощность Nсопр вырастет лишь на 0,9 кВт, а вот при 180 км/ч (50 м/сек) – аж на 15,5 кВт. Но придуманный нами автомобиль так ехать не может… Маловато мощи! Максимальная скорость снизится почти на 20 км/ч.

Мощность момент 2.jpg

Рис. 2 — Так зависит крутящий момент (М1….М5) или тяговая сила (Fтяг 1 …Fтяг 5) на ведущей оси от включенной передачи. При коэффициенте сцепления шин с дорогой 0,7 ведущая ось, нагруженная половиной веса машины (Gавтом = 15000 н), может создать реальную тяговую силу не больше Fмакс. доп. = 5250 Н.

На рис.2 величины крутящего момента М1…М5, а заодно и теоретические тяговые силы F1…F5 на ведущей оси, показаны одними и теми же кривыми, – ведь тяговые силы пропорциональны моментам. Величины сил – на вертикальной оси справа. Но тут важно учесть следующее.
Разгоняет машину не вся тяговая сила, а лишь избыточная – то есть разница между полной тяговой силой колес и сопротивлением воздуха. Отношение этой силы к весу машины академик Чудаков назвал динамическим фактором D. На первой передаче сопротивление воздуха мало, его можно не учитывать – считать, что машину разгоняет полная сила Fтяг.1. Но отталкиваться от дороги сильней, чем позволяет сцепление шин, невозможно! Если, например, ведущая ось несет половину веса машины – 7500 Н, то при коэффициенте сцепления φ = 0,7 тяговая сила не может превысить 35% ее веса. Это неплохо согласуется с такой официальной характеристикой любого автомобиля как предельно возможный угол подъема. С «моноприводом» трудно получить больше. Правда, у машины с задним приводом на подъемах ведущие колеса несколько догружаются весом машины, а вот передний тут невыгоден. Лучшая схема, но сложная и дорогая, – полный привод (конечно, не с такой скромной мощностью, как у «Нивы» или УАЗа!).
Если избыточная сила (на первой передаче, например) слишком велика, машина «шлифует» дорогу. Дело нелепое, нужно перейти на следующую передачу. А вот при разработке нового авто конструктор учитывает высокую мощность двигателя и ее следствие – тяговые силы в передаточных числах трансмиссии. Передачи проектируются как достаточно «длинные», расширяющие диапазон скоростей при достаточных ускорениях. А это значит, что и при более высоких скоростях действуют нужные тяговые силы (или моменты) на колесах. Иначе говоря, реализуется весь арсенал мощности! Значит, она все же важнее.

Споры на тему влияния мощности-момента ведутся давно, и конца им не видно. Вроде бы сто раз уже объясняли самыми разными способами, что тут к чему, а воз и ныне там. Вызывает неподдельный интерес, откуда все же берется заблуждение и почему оно такое устойчивое?
Причин видится две. Одна из них в том, что мощность есть функция от момента. Зависимость мощности от момента стоит барьером, который преодолеть оказывается непросто. Что странно. Поскольку очевидность того, что мощность есть функция не только от момента, но и от оборотов, не оспаривается, и тот факт, что у разных двигателей бывает весьма большой разброс по соотношению мощности к моменту, также не подвергается сомнению. То есть существует молчаливое согласие с тем, что мощность есть функция от двух аргументов — оборотов и момента, но при этом зависимость от оборотов как бы игнорируется. Почему?
А в этом и есть вторая, главная причина заблуждения. И ключевая фраза здесь: «Человек совершенно может не иметь понятие про мощность.А вот разницу в ускорении на 3 и 4 передаче он вполне способен почувствовать.» Ясно, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа КПП. На графике 1 видны кривые мощности двигателя, смещенные в зависимости от разных передаточных чисел и кривая сопротивлений. Видно, что с ростом передаточного числа динамика резко возрастает. Это очевидно и вопросов не вызывает. Странно, что не менее очевидный факт, что бОльшая часть времени при разгоне приходится вовсе не на 1 и 2 передачи, а на 3-4, при этом упускается из виду.
При разгоне здравомыслящий водитель пользуется всеми четырьмя передачами и весьма широким диапазоном частот вращения двигателя. При этом редко задумывается о том, что динамика разгона на высокой скорости мала и плохо ощущается, но именно на нее и приходится львиная доля времени разгона (по той простой причине, повторю, что на высших передачах динамика хуже и потому занимает больше времени). Хорошо ощущается динамика разгона на низших передачах, в диапазоне низких и средних оборотов (дальше водитель двигатель раскручивает редко). И что выходит? А выходит, что «низовой», моментный двигатель дает ощущение уверенного и бодрого разгона по той простой причине, что легко и весело страгивает и начинает разгонять автомобиль. А по достижении скорости ощущения становятся слабыми, и оценить разницу в разгоне 100- и 120 сильного моторов на 4-5 передачах, способен не каждый. Потому и кажется, что момент определяет динамику. По ощущениям. А ощущениям человек склонен верить очень сильно, даже вопреки логике и здравому смыслу.

Проповедующие формулировку «скорость определяется мощностью, а динамика разгона — моментом двигателя» могут убедиться в своем заблуждении, решив простую задачу.
Вводные
1. Равномерный подъем на некоторую высоту равносилен равномерному ускорению, поскольку увеличивает потенциальную энергию тела mgh*. (что можно объяснить — чем с большей высоты упадет, тем сильней ударится).
2. Поднимаем равномерно груз весом 75 кг на высоту 1 м за 1 с.
3. Имеется черный ящик, в котором спрятан мотор неизвестной природы и, возможно, редуктор с КПД=1.
Вопросы.
1. Какая мощность должна быть в моторе, спрятанном внутри черного ящика?
2. Какой момент должен быть в моторе, спрятанном внутри черного ящика?

Подъем указанного груз на нужную высоту за время аналогичен разгону по горизонтали той же массы с ускорением g 0.5 .
Если ускорение определяется моментом — просто назовите цифру
Если ускорение определяется мощностью — тоже просто назовите цифру
Если цифру назвать не удается, значит параметр может быть самым разным и роли не играет.
Вы можете разгонять тело с заданным ускорением (или поднимать его вверх), меняя крутящий момент по своей прихоти (и устанавливая каждый раз соответствующий редуктор). Вы можете отталкиваться от параметров редуктора, и всякий раз требуемый момент будет меняться и зависеть от передаточного отношения этого редуктора. Но всегда мощность будет оставаться одной и той же, неизменной величиной — для подъема груза 75 кг на 1 м за 1с понадобится ровно одна лошадиная сила или 0,73549875 кВт

Можно поступить и следующим образом.
Берите любой момент, который причина разгона, берите любой редуктор и разгоните тело 75 кг до скорости 3.13 м/c за 1 с.
Ограничение только по мощности — она не должна превышать 0.9 л.с.
Есть ли решение у этой задачи? Если нет — то почему?
Ответ.
Задача не имеет решения по той простой причине, потому что невозможно обеспечить заданную динамику — для нее не хватит мощности. Каким бы ни был момент.
Вывод. Момент двигателя для разгонной динамики не имеет значения, все решает мощность.

* Пояснение Вы поднимаете 75 кг получаете от этого энергию mgh. Она преобразуется так:
поскольку a = V 2 / 2h, а ускорение а у нас равно g, то V = (2hg) 0.5 .
Кинетическая энергия тела E = mV 2 /2 = m2hg/2 = mgh.

Мощность и крутящий момент

Исторически сложилось, что мощность считается основным критерием, определяющим понятие \»разгон с места до 100 км/ч. Но достаточно вспомнить изучаемый в школьном курсе физики второй закон Ньютона, чтобы увидеть, что в формуле \»ускорение = сила / масса\» мощность начисто отсутствует. Динамику разгона в первую очередь определяет крутящий момент, развиваемый на ведущих колесах.

Мощность же, как физическое понятие определяет практически только максимальную скорость. Формула, по которой можно высчитать мощность выглядит так: \»мощность = крутящий момент х частота вращения\». Нелишним будет вспомнить, что в технических характеристиках величина развиваемой двигателем мощности стоит рядом с частотой вращения, при которой эта мощность реализуется. Для современных моторов эти обороты составляют 5500-7000 об/мин, иногда доходят до 7800 об/мин. А теперь прикиньте, часто ли вы ездите на максимальных оборотах с полностью нажатой педалью \»газа\»? А ведь именно в таком случае двигатель \»отдает\» ту мощность, что записана у него в характеристиках.

Момент — это характеристика, пропорциональная мгновенной силе, с которой двигатель действует на приводимый в движение агрегат. Для ускорения автомобиля необходимым условием является то, что векторная сумма всех сил, действующих на него>0 и вектор, есс-но, направлен в сторону движения автомобиля. Т.е., чем больше момент — тем большую силу противодействия (сила трения, сила гравитации, если автомобиль стоит на подъеме) может \»преодолеть\» двигатель. В теории, при ПРОЧИХ РАВНЫХ, чем больше момент, и, что еще важнее, чем равномернее он распределен по диапазоны оборотов — тем быстрее разгоняется автомобиль и тем большие силы противодействия (например, при движении в гору) он способен преодолевать. Еще раз повторюсь — при прочих равных, т.е. при измерениях на авто с одинаковой массой, одинаковой трансмиссией и т.д. Замечу, что на ускорения автомобиля влияет не измерянный момент при определенных оборотах (то, что мы видим в ТТХ), а именно распределение момента по всему диапазону. Для противодействия же мгновенным силам (мгновенная сила трения, которая тем больше, чем больше масса авто при прочих равных) наибольше значение имеет то, как быстро достигается максимальный момент. Поэтому дизельный трактарок потянет плуг, обладая даже не очень большой мощностью — у него достаточный момент на ниэких оборотах. Спортивная машина с бОльшей мощностью при этом спалит сцепление, зароется в землю и никуда не поедет. Или заглохнет.

Крутящий момент и мощность

Моторкоппель:
Крутящий момент двигателя – это сила, с которой вращается коленчатый вал двигателя. Крутящий момент создается за счет комбинации силы сгорания на поршне и расстояния радиуса кривошипа. Усилие, действующее на поршень, зависит, среди прочего, от степени наполнения (количества воздуха) и количества топлива и варьируется, поскольку угол передачи мощности на шатунный палец постоянно меняется. По нему мы можем рассчитать среднее давление поршня. индикаторная диаграмма или получить фотодиаграмму.

На следующем рисунке мы видим, как поршень толкается вниз под действием силы сгорания (p). Это давление сгорания создает силу F, силу поршня. Усилие поршня передается на шейку коленчатого вала (r) через шатун (S). При этом создается так называемая тангенциальная сила (Ft).

Крутящий момент рассчитывается по формуле Ft xr (тангенциальная сила, умноженная на радиус кривошипа) и выражается в Нм (Ньютон-метрах).

Легенда:
p = давление на поршень.
F = сила, действующая на поршень
N = направляющая сила
S = усилие на шатуне
r = радиус кривошипа
Ft = Тангенциальная сила

Из-за изменяющегося давления сгорания и закручивания кривошипно-шатунного механизма тангенциальная сила также не является постоянной величиной. Поэтому мы работаем со средней касательной силой.

Мы можем определить касательную силу, разложив силу поршня (см. изображение ниже и страницу «растворить поршневую силу»).

Крутящий момент двигателя зависит исключительно от силы, действующей на поршень, поскольку все остальные переменные, такие как диаметр поршня и радиус кривошипа, являются фиксированными данными двигателя. Усилие на поршень (Fz) компенсируется давлением сгорания (p) и зависит от степени наполнения двигателя (при стехиометрическом соотношении смеси). В основном именно дросселирование во впускном коллекторе определяет уровень наполнения двигателя.

Наибольшее дросселирование обусловлено положением дроссельной заслонки. Положение дроссельной заслонки оказывает наибольшее влияние на крутящий момент двигателя: ведь мы влияем на работу двигателя, изменяя положение дроссельной заслонки. В ходе испытательной установки мы измеряем максимальный крутящий момент, развиваемый при полностью открытой дроссельной заслонке.

Крутящий момент не везде одинаков при разных скоростях и полностью открытом дросселе. Из-за изменяющихся скоростей газа и фиксированных углов открытия клапанов крутящий момент будет оптимальным только на определенной скорости.

На изображениях ниже мы видим диаграммы мощности и крутящего момента двух типов дизельных двигателей, используемых в BMW 3-й серии (E9x). У обоих двигателей крутящий момент достигается примерно при 1800 об/мин, но у 320d он явно выше, чем у 316d. Оба двигателя имеют объем цилиндров 2.0 литра. Более высокий крутящий момент становится возможным, в том числе, благодаря наддуву, клапанам во впускном коллекторе и настройке системы управления двигателем, которая помимо крутящего момента определяет расход и выбросы выхлопных газов.

Чем отличается мощность от крутящего момента?

Чем отличается мощность от крутящего момента?

25.05.2015 03:27

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.

1

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.

2

Лошадиная сила родилась в эпоху промышленной революции, когда потребовалось оценить, насколько эффективно механизмы заменяют животную тягу. По наследству от стационарных двигателей эта условная единица измерения мощности со временем перешла и на автомобили.

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.

3

Джеймс Уатт — шотландский инженер, изобретатель, учёный, живший в XVIII — начале XIX века. Именно он ввёл в обращение как «нелегальную» сейчас лошадиную силу, так и официальную единицу измерения мощности, которую назвали его именем.

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.

4

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.

5

Мощность также зависит от того, как её измерять. Одно дело крутить на стенде «голый» мотор без навесного оборудования и совсем другое — снимать показания с колёс, на беговых барабанах, с учётом трансмиссионных потерь. Современные методики предлагают компромиссный вариант — стендовые испытания двигателя с необходимой для его автономной работы навеской.

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.

6

Чтобы обеспечить дизелю (на фото слева) высокую степень сжатия, инженеры вынуждены делать его длинноходным (это когда ход поршня превышает диаметр цилиндра). Поэтому у таких моторов крутящий момент конструктивно получается большим, но предельное число оборотов приходится ограничивать ради повышения ресурса. Разработчикам бензиновых агрегатов, наоборот, проще получить высокую мощность — детали здесь не такие массивные, степень сжатия меньше, так что двигатель можно сделать короткоходным и высокооборотным. Впрочем, в последнее время различие между дизелями и бензиновыми агрегатами постепенно стирается — они становятся всё более похожими как по конструкции, так и по характеристикам.

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.

7

Так называемая внешняя скоростная характеристика двигателя отражает зависимость мощности и крутящего момента от оборотов коленвала при полностью открытом дросселе. По идее, чем раньше наступает пик тяги и позже — мощности, тем проще мотору адаптироваться к нагрузкам, его рабочий диапазон увеличивается, что позволяет водителю или электронике реже переключать передачи и почём зря не жечь топливо. На этих графиках видно, что бензиновый двухлитровый турбомотор (справа) выигрывает по этому показателю у турбодизеля аналогичного объёма, но уступает ему в абсолютной величине крутящего момента.

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.

8

Современные моторы «Формулы 1» имеют скромный объём 1,6 л и относительно невысокий крутящий момент. Но за счёт турбонаддува, а главное — способности раскручиваться до 15000 об/мин, выдают порядка 600 л.с. Кроме того, инженеры грамотно интегрировали в силовой агрегат электродвигатель, который в определённых режимах может добавлять ещё 160 «лошадок». Так что гибридные технологии могут работать не только на экономичность.

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.

Так что пусть в последнее время разница между дизельными и бензиновыми агрегатами становится всё более расплывчатой, пусть развиваются альтернативные моторы, но извечный союз мощности, крутящего момента и оборотов двигателя останется актуальным. Всегда.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *