Что такое мощность и крутящий момент. Как они измеряются?

Автомобильная промышленность неизбежно связана с двигателями внутреннего сгорания, которые используются в автомобилях. В виду многолетнего опыта четырехтактные двигатели внутреннего сгорания доминировали на рынке как наиболее эффективные.

Особенности работы таких двигателей широко известны, и благодаря популярности автомобилестроения их знает большинство водителей. При выборе автомобиля практически каждый обращает внимание на рабочий объем, мощность двигателя и расход топлива. 

Более любознательные спросят также значение максимального крутящего момента и его ход. 

Что такое крутящий момент

Крутящий момент — это основной параметр, характеризующий производительность двигателя внутреннего сгорания. При проектировании двигателей основная цель состоит в том, чтобы получить максимально возможный крутящий момент в максимально широком диапазоне частот вращения двигателя. С другой стороны, мощность двигателя является результатом комбинации этих двух параметров: крутящего момента и скорости вращения. На динамометрах двигателя крутящий момент и частота вращения измеряются во время испытаний двигателя, а мощность рассчитывается на основе этих двух параметров.

Как измеряется крутящий момент?

С точки зрения физики крутящий момент — это то же самое, что сила вращения. На рисунке ниже вы увидите, как измеряется сила крутящего момента: на рычаге длиной 1 метр, который соединен с коленчатым валом двигателя, находится вес 10 кг. Чтобы вал двигателя мог вращаться, он должен достигать крутящего момента 98,1 Нм (ньютон-метр). Это связано с простыми расчетами, представленными ниже.

Мы переводим массу груза в килограммах в вес (силу), выраженный в ньютонах (Н). Для этого мы должны умножить его на ускорение свободного падения g, которое составляет 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 на секунду в квадрате, равен 1 Ньютону (Н), то есть:

98,1 кг × м / с² = 98,1 Н

Теперь, когда мы знаем силу, действующую на рычаг, нам просто нужно умножить ее на длину рычага, которая в нашем случае составляет 1 метр:

98,1 Н × 1 м = 98,1 Н × м

А умноженный на метр ньютон — это не что иное, как метр ньютон (Нм), то есть:

98,1 Н × м = 98,1 Нм

Грубо говоря, если двигатель имеет максимальный крутящий момент 200 Нм при 2500 об / мин, он сможет «толкать» около 20 кг на метровом рычаге.

Что такое мощность двигателя?

Мощность = (крутящий момент Х скорость вращения) / 9549,3

Как видно из формулы, мощность двигателя зависит от крутящего момента и скорости вращения двигателя. Другими словами, мощность двигателя — это то, сколько энергии мы можем получить за единицу времени. Таким образом, чем выше крутящий момент на высоких оборотах, тем большую мощность мы получим. Математически мощность — это произведение крутящего момента и мощности двигателя. Однако, чтобы расчеты были правильными, они должны быть выполнены в правильных единицах измерения. Скорость вращения должна быть выражена в радианах в секунду, а правильной единицей измерения крутящего момента является ньютон-метр. 

Чтобы упростить вычисления, лучше ввести фиксированное значение, полученное в результате изменения единицы измерения, а не заменять единицы. Он одинаков во всех расчетах и ​​равен 9549,3. Единица мощности — киловатты (кВт). 

Как вы знаете, мощность мы привыкли определять в лошадиных силах, давайте переведем наши расчеты в Л/С.

Пример:

Используем характеристики 3.0 TDI от Audi Q7 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:

500Нм Х 1500 об./мин. / 9549.3 = 78,5 Кв (килоВатт)

частота вращения 1500 об / мин, крутящий момент 500 Нм

500Нм Х 3000 об./мин. / 9549.3 = 157,1 Кв (килоВатт)

Тот же крутящий момент, но частота вращения двигателя увеличена до 3000 об / мин.

420Нм Х 4000 об./мин. / 9549.3 = 175.9 Кв (килоВатт)

Максимальная мощность: 4000 об / мин и крутящий момент 420 Нм

Киловатты и лошадиные силы

Основной единицей измерения мощности в физике является ватт. В машинах с большей мощностью ватты делятся на тысячу, чтобы получить киловатты (кВт). 

Однако в автомобильной технике в качестве единицы мощности принято использовать лошадиные силы. И Лошадиные силы в разных странах считают по-разному.

Существует это так называемая механическая лошадиная сила, которая является британской единицей, обозначается как HP. Второй тип — метрическая лошадиная сила, принятая в Германии (обозначение PS), Италии (обозначение CV), Франции и Японии. В России принято использовать метрическую лошадиную силу в качестве лошадиных сил. Разница между двумя единицами небольшая — 1,4%. Примером путаницы был, например, Subaru Impreza GT, в 90-х. Одни источники утверждали, что машина имела 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 л.с. :
л.с .: 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 л.с :
78,5 кВт / 0,7457 = 105,3 л.с.
157,1 кВт / 0,7457 = 210,6 л.с.
175,9 кВт / 0,7457 = 235,9 л.с.

Обратите внимание, что Audi указывает максимальную мощность своего двигателя в 240 ЛС, что лучше всего звучит с точки зрения маркетинга.

Практическое значение мощности и крутящего момента

Как объяснялось ранее, крутящий момент эквивалентен силе, которую мы можем получить от двигателя. На практике сила отвечает за ускорение и буксировку автомобиля. Конечно, всем известно, что машина с большей мощностью быстрее разгоняется. Однако это связано с тем, что он имеет высокий крутящий момент на высоких оборотах, то есть даже на высоких оборотах он способен и дальше разгонять автомобиль. С другой стороны, мощность отвечает и за максимальную скорость. Однако следует отметить, что максимальная скорость автомобиля сильно зависит от передаточного числа трансмиссии. Если максимальная мощность автомобиля уже на пределе, но максимальная мощность достигается при одинаковых оборотах двигателя, то максимальная скорость автомобиля останется прежней. Более того, при движении на максимальной скорости двигатель не достигает максимальной мощности.

Крутящий момент в дизельном и бензиновом двигателях — разница

Разница в кривой крутящего момента между бензиновыми и дизельными двигателями является причиной различий в впечатлениях от вождения. Автомобили с одинаковым показателем Л/С но с разным типом двигателей ( дизель/бензин) разгоняются по-разному. В дизельном двигателе крутящий момент очень высок, но в узком диапазоне частот вращения. Поэтому во время движения на дизелях мы чувствуем сильное ускорение, но оно быстро заканчивается, и нужен переход на следующую передачу. 

В бензиновом двигателе крутящий момент ниже, но он не ослабевает при более высоких оборотах, например, выше 4000 об / мин. Благодаря этому двигатель не ускоряется так быстро, как дизель, но ускоряться мы можем дольше по времени в рамках одной передачи.