Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2016 » Январь » 15 » Полезная мощность двигателя. Теория и история. Ч.1
08:41
Полезная мощность двигателя. Теория и история. Ч.1

    Ранее мы уже неоднократно говорили об устройстве и работе двигателей внутреннего сгорания. Сегодняшняя наша беседа посвящена оптимальной, с экологической и экономической точки зрения, мощности двигателя автомобиля, а так же, мы не обойдем вниманием некоторые рекламные уловки современного автомобильного рынка.
                                    Немного теории устройства ДВС.
    Мощность двигателя это полезная работа, которую совершает ДВС в единицу времени. Мощность в одну лошадиную силу равна работе по перемещению 75 кг на один метр за секунду, при противодействии в 1g, то есть, это поднятие груза в 75 кг на один метр за секунду, при силе тяжести на высоте уровня моря. Мощность поршневого ДВС слагается из двух составляющих: частота вращения коленчатого вала (в оборотах в минуту), и усилие на валу (обычно это крутящий момент в Ньютонах на метр). Частота вращения зависит от конструкции двигателя и находится у различных ДВС в пределах 1000-4000 оборотов в минуту. Частота вращения коленчатого вала менее 1000 оборотов в минуту дает недостаточно стабильную работу двигателя, частота выше 4000 оборотов в минуту приводит к ускоренному износу подшипников и излишним нагрузкам на валы (из-за центробежной силы).
    Мощность поршневого ДВС можно повысить четырьмя основными путями: увеличение площади сечения цилиндра, увеличения давления в цилиндре, увеличение частоты вращения коленчатого вала, увеличение числа цилиндров. Увеличение площади сечения цилиндра и увеличение числа цилиндров приводит к увеличению массы и размеров ДВС. Наращивание рабочего давления в цилиндрах приводит к увеличению звука выхлопа, ускоренному износу двигателя и, кроме того, требует повышения прочности цилиндра и поршня. Так же, растет нагрузка на все детали КШМ (кривошипно-шатунного механизма).
    Пределы увеличения частоты вращения коленчатого вала мы уже указали, стоит отметить, что при увеличении момента на валу, требуется увеличивать диаметр вала для повышения его прочности. Рост диаметра вращающегося вала приводит к увеличению динамических (биения) и статических (центробежная сила) нагрузок на материал вала и на подшипники. Например, на тепловых электростанциях используют электрогенераторы с рабочей частотой вращения вала, равной частоте вращения вала паровой турбины. Оптимальный КПД паровой турбины достигается при частоте вращения более 6-8 тыс. оборотов в минуту. Диаметр вала ротора генератора делают не более 140-250 мм, так как, при данной частоте не один материал не обеспечивает долговременной целостность вала большего диаметра. Исключение составляют лишь валы ТРД и ГТУ специального назначения (реактивная авиация, вертолеты, суда на воздушных подушках), там частот вращения вала достигает 12-14 тыс. оборотов в минуту при диаметре вала ротора до 0,2-0,4 метра. Применяемые там стали и методы обработки металла, позволяют достичь максимальной для современной промышленности прочности, но, несмотря на это, ресурс работы ГТУ и ТРД намного уступает любому поршневому ДВС.
                                                  Удельная мощность.
    Так как, с абсолютной мощностью ДВС все более-менее понятно, перейдем к такому понятию, как удельная мощность ТС. Это количество л.с., приходящееся на тонну снаряженной массы ТС. Например, если автомобиль со снаряженной массой 1,5 тонны имеет ДВС мощностью 75 л.с., тогда его удельная мощность равна примерно 50 л.с. на тонну.
    Среди исторических примеров можно отметить первый (среди построенных и функционирующих) самолет братьев Райт. Его удельная мощность примерно равнялась 40 л.с. на тонну (при взлетной массе около 600 кг, он имел мощность ДВС около 24 л.с.). Самолет летал, и даже достигал скорости в 150-160 км/час. Большинство монопланов и бипланов ПМВ имели удельную мощность порядка 90-140 л.с. на тонну веса. Вспомните сцены из х/ф “Эскадрилья Лафайет”, и визуально оцените возможности самолетов с такой удельной мощностью. На основании практического опыта было определено, что для нормального взлета и устойчивого горизонтального полета самолету или иному аппарату с винтовым движителем необходимо иметь не менее 50-60 л.с. на тонну веса. Примерно такую минимальную удельную мощность имеют все более-менее способные летать аппараты (автожиры, вертолеты, моттодельтапланы, суда на воздушной подушке, экранопланы и пр.).
    Среди наземных ТС стоит вспомнить, что первые броневики ПМВ имели ДВС мощностью порядка 35-60 л.с. (при массе 2,5 – 6 тонн), и при этом они несли броню, вооружение, и успешно применялись в боях. Среди таких моделей можно отметить знаменитый броневик “Остин”, известного широкой публике благодаря участию не только в ПМВ, но и в революциях, как в Германии (1918-1919 годы), так и в России (1917 год).
    Самый массовый грузовик СССР 1940-х годов, знаменитый ГАЗ-АА (более известный под названием “полуторка”), имел всего 50 л.с. мощности ДВС при снаряженной массе до 4 тонн. Максимальная скорость по шоссе достигала 60-70 км в час, максимальная грузоподъемность до 1,5 тонн груза.
                                                     Предел для авто.
    Как уже стало понятно из сказанного выше, удельная мощность большинства более-менее совершенных из применявшихся (и применяемых на сегодняшний день) автомобилей составляет порядка 40-80 л.с. на тонну веса. Такая мощность позволяет автомобилю достаточно быстро набирать скорость, легко достигать скорости движения порядка 120-180 км/час, иметь оптимальную грузоподъемность и проходимость. В то же время, авто с такой удельной мощностью имеет сравнительно небольшой, достаточно экономичный и долговечный ДВС.
    Повышение удельной мощности до 100-120 л.с. на тонну снаряженного веса возможно. Но, это приводит к резкому снижению ресурса (в разы!), растет потребление топлива, увеличивается шум и вибрация ТС при движении. То есть, поставить на автомобиль массой в 3 тонны ДВС мощностью до 350 л.с. это вполне возможно, но, езда станет некомфортной, расход топлива поднебесным, а реализация всей мощности ДВС возможной или с прицепом из свинца, или на ровной трассе при максимальном разгоне.
    Среди наглядных примеров стоит напомнить, что современный основной боевой танк имеет мощность двигателя порядка 700-1000 л.с., при массе в 40-60 тонн, он развивает скорость по ровному шоссе до 70-90 км/час. В гору с уклоном в 10* танк Т-72 спокойно двигается со скоростью до 30-35 км/час, и это при снаряженной массе около 45 тонн (мощность ДВС 840 л.с., или 19 л.с. на тонну веса). Представим, что ДВС мощностью в 800 л.с. поставили на автомобиль массой в 3 тонны, данное усилие ДВС должно обеспечивать скорость движения порядка 800 км/час по ровной дороге, и до 400 км/час в гору с подъемом 10-15*. Напомню, что карданный вал танка имеет массу около 120-150 кг при длине около 2 метров, вал меньшего диаметра не способен выдержать усилие крутящего момента, соответствующее мощности ДВС в 500-900 л.с.
    В данном примере еще стоит учесть, что все гусеничные машины имеют меньший КПД движителя (гусеницы и траки массивны и в ходовой части значительное трение), да и вибрация (а так же, инерция, грохот и пр.) тяжелой гусеничной машины не позволяет ей разогнаться до высоких скоростей. Поэтому, на практике, автомобиль имеющий всего-навсего 100-110 л.с. на тонну веса, должен, по логике, за несколько секунд увеличивать скорость движения с 80 до 200 км/час.
    Ряд не решаемых проблем возникает с расходом горючего, работой системы охлаждения, гашением вибрации, износом подшипников и пр. Но, как же тогда продают легковые автомобили с мощностью двигателей 500-1200 л.с. и даже более?
    Но, об этом мы продолжим беседу в следующий раз.

Категория: Топливо и энергетика | Просмотров: 1218 | Добавил: Chemadm | Рейтинг: 5.0/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]