Мощност срещу въртящ момент

Ще разберем как се произвежда въртящият момент на двигателя , как се изчислява мощността на двигателя и какво е кривата на въртящия момент и мощността . Също така, ще разгледаме въртящия момент на двигателя и картите на мощността. До края читателят ще може да разбере разликата между въртящия момент и мощността, как те влияят на надлъжната динамика на автомобила и как да интерпретира кривите на въртящия момент и мощността при пълно натоварване.

Определение на въртящия момент

Въртящият момент може да се разглежда като сила на завъртане, приложена върху обект. Въртящият момент (вектор) е кръстосаният продукт между сила (вектор) и разстояние (скалар). Разстоянието, наричано още рамото на лоста , се измерва между силата и точката на завъртане. Подобно на сила, въртящият момент е вектор и се определя от амплитуда и посока на въртене.

Представете си, че искате да затегнете / разхлабите болтовете на колело. Натискането или издърпването на дръжката на гаечния ключ, свързан с гайка или болт, води до въртящ момент (сила на завъртане), която разхлабва или затяга гайката или болта.

Въртящият момент T [Nm]  е произведение на силата F [N] и дължината на рамото на лоста a [m] .За да увеличим силата на въртящия момент, можем или да увеличим силата, дължината на рамото на лоста или и двете.

Пример : Изчислете въртящия момент, получен на болта, ако рамото на гаечния ключ е 0,25 m и прилаганата сила е 100 N (което е приблизително еквивалентно на натискаща сила от 10 kg )

Същият въртящ момент може да се получи, ако лостовото рамо е 1 m и силата само 25 N .

Същият принцип важи за двигателите с вътрешно горене .

Въртящият момент T ще се произвежда в коляновия вал на всеки оборот всеки път, когато буталото е в мощностния ход . Лостът на лоста a в този случай е радиусът на коляновия механизъм (отместване) .Големината на силата F зависи от налягането на горене в цилиндъра. Колкото по-високо е налягането в цилиндъра, толкова по-голяма е силата върху коляновия вал, толкова по-голям е изходният въртящ момент.

Дължината на рамото на лоста оказва влияние върху цялостния баланс на двигателя . Увеличаването му твърде много може да доведе до дисбаланс на двигателя, което води до по-големи сили в коляновия вал.

Пример : Изчислете въртящия момент в коляновия вал за двигател със следните параметри:

Отвор на цилиндъра, B [mm]	85
Налягане на цилиндъра, p [bar]	12
Отместване на коляновия вал, [mm]	62

Първо, изчисляваме площта на буталото (ако приемем, че главата на буталото е равна и диаметърът му е равен на отвора на цилиндъра):

Второ, ще изчислим силата, приложена към буталото. За да получим силата в N (Нютон), ще използваме налягането, преобразувано в Па (Паскал).

Стандартната единица за измерване на въртящия момент е N · m (Newton meter). Особено в САЩ мерната единица за въртящия момент на двигателя е  lbf · ft (футови фунти). 

Въртящ момент T [N] също може да се изрази като функция от средното ефективно налягане на двигателя.

p _me [Pa] – средно ефективно налягане
V _d [m ³ ] – работен обем (обем)
n _r [-] – брой завъртания на коляновия вал за пълен цикъл на двигателя (за четиритактов двигател n _r = 2 )

Определение на мощността

Във физиката силата е работата, извършена във времето или, с други думи, е скоростта на вършене на работа . В ротационните системи мощността P [W] е произведение на въртящия момент T [Nm] и ъгловата скорост ω [rad / s] .Стандартната единица за измерване на мощността е W (Watt), а за скоростта на въртене е rad / s (радиан в секунда). Повечето производители на превозни средства осигуряват мощността на двигателя в к.с. ( мощност на спирачния кон) и скоростта на въртене в обороти в минута (въртене в минута). Следователно ще използваме формули за преобразуване както за скоростта на въртене, така и за мощността.Мощността на двигателя може да бъде измерена и в kW, вместо W за по-компактна стойност. В някои случаи може да намерите HP (Horse Power) вместо Bhp като мерна единица за мощност.Пример . Изчислете мощността на двигателя както в kW, така и в HP , ако въртящият момент на двигателя е 150 Nm и скоростта на двигателя е 2800 об / мин .

Динамометър на двигателя

Скоростта на двигателя се измерва с помощта на сензор на коляновия вал (маховик). В идеалния случай, за да изчислим мощността, трябва да измерваме и въртящия момент в коляновия вал с датчик. Технически това е възможно, но не се прилага в автомобилната индустрия. Поради условията на работа на коляновия вал (температури, вибрации) измерването на въртящия момент на двигателя със сензор не е надеждна техника. Също така цената на сензора за въртящ момент е доста висока. Следователно въртящият момент на двигателя се измерва на пълния диапазон на скоростта и натоварването, като се използва динамометър (изпитвателен стенд) и се картографира (съхранява) в контролния блок на двигателя.

Динамометърът е основно спирачка (механична, хидравлична или електрическа), която абсорбира енергията, произведена от двигателя. Най-използваният и най-добър тип динамометър е електрическият динамометър . Това всъщност е електрическа машина, която може да се управлява като генератор или двигател . Променяйки въртящия момент на генератора, двигателят може да бъде поставен във всяка работна точка (скорост и въртящ момент). Също така, с двигателя при прекъсване на горивото (без впръскване на гориво) генераторът може да работи като електрически двигател, който да върти двигателя. По този начин могат да бъдат измерени триенето на двигателя и загубите от въртящия момент.За електрически динамометър роторът е свързан към коляновия вал. Връзката между ротора и статора е електромагнитна. Статорът е фиксиран през лост на рамото към товарната клетка . За да балансира ротора, статорът ще се натисне към товарната клетка. Въртящият момент Т се изчислява чрез умножаване на силата F, измерена в товарната клетка, с дължината на рамото на лоста a .Параметрите на двигателя: спирачен въртящ момент, мощност на спирачния кон (bhp) или специфичен разход на гориво (BSFC) съдържат ключовата дума „спирачка“, тъй като за измерването им се използва динамометър (спирачка).Това, което се получава от теста на двигателя на динамометър, са карти на въртящия момент (повърхности), които дават стойността на въртящия момент на двигателя при определена скорост и натоварване на двигателя (стационарни работни точки). Натоварването на двигателя е еквивалентно на положението на педала на газта.

Пример за карта на въртящия момент за двигател с бензин, искрово запалване (SI) :

Въртящ момент на двигателя [Nm]		Положение на педала на ускорителя [%]
		5	10	20	30	40	50	60	100
Обороти на двигателя [об / мин]	800	45	90	107	109	110	111	114	116
	1300	60	105	132	133	134	136	138	141
	1800	35	89	133	141	142	144	145	149
	2300	19	70	133	147	148	150	151	155
	2800	3	55	133	153	159	161	163	165
	3300	0	41	126	152	161	165	167	171
	3800	0	33	116	150	160	167	170	175
	4300	0	26	110	155	169	176	180	184
	4800	0	18	106	155	174	179	185	190
	5300	0	12	96	147	167	175	181	187
	5800	0	4	84	136	161	170	175	183
	6300	0	0	72	120	145	153	159	171

Пример на мощност карта за двигател с бензин, искрово запалване (SI) :

Мощност на двигателя [HP]		Положение на педала на ускорителя [%]
		5	10	20	30	40	50	60	100
Обороти на двигателя [об / мин]	800	5	10	12	12	13	13	13	13
	1300	11	19	24	25	25	25	26	26
	1800	9	23	34	36	36	37	37	38
	2300	6	23	44	48	48	49	49	51
	2800	1	22	53	61	63	64	65	66
	3300	0	19	59	71	76	78	78	80
	3800	0	18	63	81	87	90	92	95
	4300	0	16	67	95	103	108	110	113
	4800	0	12	72	106	119	122	126	130
	5300	0	9	72	111	126	132	137	141
	5800	0	3	69	112	133	140	145	151
	6300	0	0	65	108	130	137	143	153

Електронният модул за управление (ECM) на ICE има картата на въртящия момент, запаметена в паметта. Той изчислява (интерполира) функцията на въртящия момент на двигателя на текущата скорост и натоварване на двигателя. В ECM натоварването се изразява като налягане на всмукателния колектор за бензинови двигатели (искрово запалване, SI) и време на впръскване или горивна маса за дизелови двигатели (компресионно запалване, CI). Стратегията за изчисляване на въртящия момент на двигателя има корекции въз основа на температурата и налягането на входящия въздух.Разпределянето на данните за въртящия момент и мощността, функцията на скоростта и натоварването на двигателя дава следните повърхности:

Изображение: въртящ момент на въртящия момент на двигателя SI

Изображение: повърхност на захранване на двигателя SI

За по-добра интерпретация на картите на въртящия момент и мощността, може да се начертае 2-D линия на въртящия момент за фиксирана стойност на положението на педала на газта.

Изображение: Криви на въртящия момент на двигателя SI

Изображение: Криви на мощността на двигателя SI

Въртящ момент и мощност на двигателя при пълно натоварване

Както видяхте, въртящият момент и мощността на двигателя с вътрешно горене зависят както от оборотите на двигателя, така и от товара. Обикновено производителите на двигатели публикуват характеристиките на въртящия момент и кривата (криви) при пълно натоварване (100% положение на педала на газта). Кривите на въртящия момент и мощността на натоварването подчертават максималния въртящ момент и разпределението на мощността през целия диапазон на оборотите на двигателя.

Формата на горните криви на въртящия момент и мощността не е от истински двигател, като обхватът е да се обяснят основните параметри. Независимо от това, формите са сходни с реалните характеристики на запалена искра (бензин), впръскване на портове, атмосферен двигател.

Скоростта на двигателя N _e [rpm] се характеризира с четири основни точки:

N _min – е минималната стабилна скорост на двигателя при пълно натоварване
N _Tmax – е скоростта на двигателя при максимален въртящ момент на двигателя
N _Pmax – е оборотите на двигателя при максимална мощност на двигателя; наричана също номинална скорост на двигателя
N _max – е максималната стабилна скорост на двигателя

При минимална скорост двигателят трябва да работи плавно, без трептения или забавяне. Двигателят също трябва да позволява работа с максимална скорост, без структурни повреди.

В пълно натоварване въртящия момент на двигателя крива Т _д [Nm] се характеризира с четири точки:

T ₀ – въртящ момент на двигателя при минимална скорост на двигателя
T _max – максимален въртящ момент на двигателя (максимален въртящ момент или номинален въртящ момент )
T _P – въртящ момент на двигателя при максимална мощност на двигателя
T _M – въртящ момент на двигателя при максимална скорост на двигателя

В зависимост от вида на входящия въздух (атмосферен или с турбо) върховият въртящ момент може да бъде или точка, или линия. При двигатели с турбо или с презареждане максималният въртящ момент може да се поддържа постоянен между две стойности на скоростта на двигателя.

Най- пълно натоварване на двигателя мощност крива P _д [HP] се характеризира с четири точки:

P ₀ – мощност на двигателя при минимална скорост на двигателя
P _max – максимална мощност на двигателя (пикова мощност или номинална мощност )
P _T – мощност на двигателя при максимален въртящ момент на двигателя
P _M – мощност на двигателя при максимална скорост на двигателя.Областта между минималната скорост на двигателя N _min и максималния въртящ момент на двигателя N _Tmax се нарича зона с нисък край на въртящия момент. Колкото по-голям е въртящият момент в тази област, толкова по-добри са възможностите за изстрелване / ускоряване на автомобила. Когато двигателят работи в тази област, при пълно натоварване, ако съпротивлението на пътя се увеличи, скоростта на двигателя ще намалее, което ще доведе до спад на въртящия момент на двигателя и спиране на двигателя . Поради тази причина тази зона се нарича също нестабилна област на въртящия момент .Областта между максималната скорост на въртящия момент на двигателя N _Tmax  и максималната мощност на скоростта на двигателя N _Pmax се нарича мощност . По време на ускорението на автомобила, за най-добри показатели, смяната на предавките (нагоре) трябва да се извършва с максимална мощност на двигателя. В зависимост от предавките на скоростната кутия, след смяна на предавката избраната предавка ще намали оборотите на двигателя при максимален въртящ момент, което ще даде оптимално ускорение. Превключването на предавките с максимална мощност на двигателя ще поддържа скоростта на двигателя в обхвата на мощността.Площта между максималната скорост на мощността на двигателя N _Pmax  и максимална скорост на двигателя N _макс се нарича висок клас въртящ момент зона. По-високият въртящ момент води до по-висока изходна мощност, което означава по-висока максимална скорост на автомобила и по-добро ускорение при висока скорост.Когато скоростта на двигателя се поддържа между максималния въртящ момент на двигателя N _Tmax  и максималната скорост на двигателя N _max , ако съпротивлението на пътя на автомобила се увеличи, скоростта на двигателя ще спадне и изходният въртящ момент ще се увеличи, като по този начин компенсира увеличаването на пътното натоварване. Поради тази причина тази област се нарича област на стабилния въртящ момент .По-долу можете да намерите някои примери на кривите на въртящия момент и кривите на мощност за различни видове двигатели. Забележете формата на функцията на кривите на типа на двигателя (запалва се искра или се компресира) и вида на всмукването на въздуха (атмосферно или турбо (супер) заредено).

Въртящ момент и мощност на Honda 2.0 при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	4 в ред	Изображение: Honda 2.0 SI двигател – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин (SI)
Капацитет на двигателя [см 3 ]	1998
Впръскване на гориво	вентилен порт
Всмукване на въздух	атмосферен
Време на клапан	променлив
T max [Nm]	190
N Tmax [rpm]	4500
P max [HP]	155
N Pmax [rpm]	6000
N max [rpm]	6800

Въртящ момент и мощност на Saab 2.0T при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	4 в ред	Изображение: Двигател на Saab 2.0T SI – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин (SI)
Капацитет на двигателя [см 3 ]	1998
Впръскване на гориво	вентилен порт
Всмукване на въздух	турбо
Време на клапан	фиксиран
T max [Nm]	265
N Tmax [rpm]	2500
P max [HP]	175
N Pmax [rpm]	5500
N max [rpm]	6300

Въртящ момент и мощност на Audi 2.0 TFSI при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	4 в ред	Изображение: Двигател на Audi 2.0 TFSI SI – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин (SI)
Капацитет на двигателя [см 3 ]	1994
Впръскване на гориво	директен
Всмукване на въздух	турбо
Време на клапан	фиксиран
T max [Nm]	280
N Tmax [rpm]	1800 – 5000
P max [HP]	200
N Pmax [rpm]	5100 – 6000
N max [rpm]	6500

Въртящ момент и мощност на Toyota 2.0 D-4D при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	4 в ред	Изображение: Toyota 2.0 CI двигател – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	дизел (CI)
Капацитет на двигателя [см 3 ]	1998
Впръскване на гориво	директен
Всмукване на въздух	турбо
Време на клапан	фиксиран
T max [Nm]	300
N Tmax [rpm]	2000 – 2800
P max [HP]	126
N Pmax [rpm]	3600
N max [rpm]	5200

Въртящ момент и мощност на Mercedes-Benz 1.8 Kompressor при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	4 в ред	Изображение: Двигател на Mercedes Benz 1.8 Kompressor SI – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин
Капацитет на двигателя [см 3 ]	1796
Впръскване на гориво	вентилен порт
Всмукване на въздух	компресор
Време на клапан	фиксиран
T max [Nm]	230
N Tmax [rpm]	2800 – 4600
P max [HP]	156
N Pmax [rpm]	5200
N max [rpm]	6250

Въртящ момент и мощност на BMW 3.0 TwinTurbo при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	6 в ред	Изображение: BMW 3.0 TwinTurbo SI двигател – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин
Капацитет на двигателя [см 3 ]	2979
Впръскване на гориво	директен
Всмукване на въздух	двустепенен турбокомпресор
Време на клапан	променлив
T max [Nm]	400
N Tmax [rpm]	1300 – 5000
P max [HP]	306
N Pmax [rpm]	5800
N max [rpm]	7000

Максимален въртящ момент и мощност на Mazda 2.6 при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	2 Wankel	Изображение: Mazda 2.6 SI двигател – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин
Капацитет на двигателя [см 3 ]	1308 (2616)
Впръскване на гориво	вентилен порт
Всмукване на въздух	атмосферен
Време на клапан	фиксиран
T max [Nm]	211
N Tmax [rpm]	5500
P max [HP]	231
N Pmax [rpm]	8200
N max [rpm]	9500

Въртящ момент и мощност на Porsche 3.6 при пълно натоварване

Цилиндрична архитектура	6 плоски	Изображение: Porsche 3.6 SI двигател – криви на въртящия момент и мощността при пълно натоварване
гориво	бензин
Капацитет на двигателя [см 3 ]	3600
Впръскване на гориво	вентилен порт
Всмукване на въздух	атмосферен
Време на клапан	променлив
T max [Nm]	405
N Tmax [rpm]	5500
P max [HP]	415
N Pmax [rpm]	7600
N max [rpm]	8400

Основни неща, които трябва да имате предвид по отношение на мощността и въртящия момент на двигателя:

Въртящ момент

• въртящият момент е компонент на мощността
• въртящият момент може да се увеличи чрез увеличаване на средното ефективно налягане на двигателя или чрез намаляване на загубите на въртящ момент (триене, изпомпване)
• с по-нисък максимален въртящ момент, разпределен в диапазон от обороти на двигателя, той е по-добър от гледна точка на сцепление, отколкото при по-висок максимален момент
• ниският краен въртящ момент е много важен за възможностите за изстрелване на превозните средства
• високият въртящ момент е от полза при извънпътна ситуация, когато превозното средство се управлява при големи наклони на пътя, но с ниска скорост

мощност

• мощността на двигателя зависи както от въртящия момент, така и от скоростта
• мощността може да се увеличи чрез увеличаване на въртящия момент или оборотите на двигателя
• високата мощност е важна за високите скорости на автомобила, колкото по-голяма е максималната мощност, толкова по-висока е максималната скорост на превозното средство
• разпределението на мощността на двигателя при пълно натоварване, чрез обхвата на скоростта на двигателя, влияе върху способността за ускоряване на автомобила при високи скорости
• за най-добри показатели за ускорение, превозното средство трябва да работи в обхвата на мощността, между максималния въртящ момент и мощността