Розрахунок потужності двигуна: методики і необхідні формули

Комусь необхідно розрахувати потужність рухового агрегату, щоб обчислити автомобільний податок. Деяким важливо самостійно провести розрахунок потужності двигуна компресора. Для кого-то важливо точно знати потужності машини, щоб звірити її з тією, що була заявлена. В цілому розрахунок потужності і вибір двигуна-два нероздільних процесу.

Це не єдині причини, за якими автолюбителі намагаються самостійно розрахувати потужності двигунів своїх авто. Це досить складно зробити без наявності необхідних формул для розрахунку. Саме вони будуть наведені в цій статті, щоб кожен автомобіліст міг сам порахувати, скільки ж становить реальна потужність двигуна його авто.

Введення

Існує як мінімум чотири поширених способи розрахунку потужності двигуна внутрішнього згоряння. У даних методах застосовуються наступні параметри рухового агрегату:

1. Оборот.
2. Обсяг.
3. Крутильний момент.
4. Ефективний тиск всередині камери згоряння.

Для обчислень необхідно знати і вага автомобіля, а також час розгону до 100 км/год.

Кожна з Далі наведених формул розрахунку потужності двигуна має деяку похибку і не може дати на 100% точний результат. Це завжди варто враховувати при аналізі отриманих даних.

Якщо розрахувати потужність за всіма формулами, які будуть описані в статті, можна дізнатися середнє значення реальної потужності мотора, а розбіжність з дійсним результатом складе не більше 10%.

Якщо не враховувати різні наукові тонкощі, пов`язані з визначенням ТЕХНІЧНИХ понять, то можна сказати, що потужність-це енергія, що виробляється руховим агрегатом і перетворюється в крутний момент на валу. При цьому потужність-величина непостійна, а її максимальне значення досягається при певній швидкості обертання вала (вказується в паспортних даних).

У сучасних двигунах внутрішнього згоряння Максимальна потужність досягається при 5,5-6,6 тисяч оборотів в хвилину. Вона спостерігається при найбільшому середньому ефективному значенні тиску в циліндрах. Величина цього тиску залежить від наступних параметрів:

• якість паливної суміші;
• повнота згоряння;
• паливні втрати.

Потужність, як фізична величина, вимірюється у ватах, а в автомобільній галузі вона вимірюється в кінських силах. Розрахунки, що описуються в методах далі, будуть давати результати в кіловатах, потім їх знадобиться перевести в кінські сили за допомогою спеціального калькулятора-конвертера.

Потужність через крутний момент

Один із способів обчислення потужності є визначення залежності крутного моменту мотора від кількості обертів.

Будь-який момент у фізиці-твір сили на плече її застосування. Крутний момент-добуток сили, яку може розвивати двигун для подолання опору навантаження, на плече її застосування. Саме цей параметр визначає, наскільки швидко мотор досягає своєї максимальної потужності.

Крутний момент можна визначити, як відношення добутку робочого об`єму на середнє ефективне тиск в камері згоряння до 0,12566 (константа):

• M = (V_{робочий} * P_{ефективний}) / 0,12566, де V_{робочий} - робочий об`єм мотора [л], P_{ефективний} - ефективний тиск в камері згоряння [бар].

Обороти двигуна характеризують швидкість обертання коленвала.

Використовуючи величини крутного моменту і обертів двигуна, можна використовувати наступну формулу розрахунку потужності двигуна:

• P = (M * n) / 9549, де M-крутний момент [Нм], n-швидкість обертання валу [об / хв], 9549-коефіцієнт пропорційності.

Розрахована потужність вимірюється в кіловатах. Щоб перевести обчислену величину в кінські сили, потрібно результат помножити на коефіцієнт пропорційності 1,36.

Цей спосіб обчислення полягає у використанні всього двох елементарних формул, тому вважається одним з найпростіших. Правда, можна вчинити ще простіше і скористатися онлайн-калькулятором, в який необхідно внести певні дані про автомобіль і його руховому агрегаті.

Варто зауважити, що дана формула розрахунку потужності двигуна дозволяє розрахувати лише ту потужність, яка виходить на виході двигуна, а не ту, яка реально дохід до коліс автомобіля. В чому різниця? Поки потужність (якщо уявити її як потік) доходить до коліс, вона відчуває втрати в роздавальній коробці, наприклад. Грають вагому роль і побічні споживачі на кшталт кондиціонера або генератора. Не можна не згадати втрати на подолання опору підйому, коченню, а також аеродинамічний опір.

Частково цей недолік компенсується використанням інших розрахункових формул.

Потужність через об`єм двигуна

Не завжди є можливість визначити крутний момент двигуна. Іноді автовласники і зовсім не знають значення цього параметра. В такому випадку потужність рухового агрегату можна дізнатися за допомогою обсягу мотора.

Для цього знадобиться помножити обсяг агрегату на частоту обертання коленвала, а також на середнє ефективне тиск. Отриману величину необхідно розділити на 120:

• P = (V * n * P_{ефективний}) / 120 де V-об`єм двигуна [см³], n-швидкість обертання коленвала [об / хв], P_{ефективний} - середній ефективний тиск [МПА], 120-константа, коефіцієнт пропорційності.

Так проводиться розрахунок потужності двигуна автомобіля за допомогою обсягу агрегату.

Найчастіше значення P_{ефективний} у бензинових двигунах стандартного зразка варіюється від 0,82 МПа до 0,85 МПа, в форсованих моторах-0,9 МПа, а в дизельних агрегатах значення тиску знаходиться в проміжку від 0,9 МПа до 2,5 МПа.

При використанні даної формули для розрахунку реальної потужності мотора, щоб перевести кВт в л. з., необхідно розділити отриману величину на коефіцієнт, рівний 0,735.

Даний метод розрахунку також далеко не найскладніший і займає мінімум часу і зусиль.

За допомогою цього методу можна зробити розрахунок потужності двигуна насоса.

Потужність через витрату повітря

Потужність агрегату можна визначити і по витраті повітря. Правда, даний метод розрахунку доступний тільки тим автовласникам, у яких встановлений Бортовий комп`ютер, що дозволяє зафіксувати витрату повітря при 5,5 тисячі оборотів на третій передачі.

Щоб отримати приблизну потужність двигуна, необхідно отриманий при вищеописаних умовах витрата розділити на три. Формула виглядає так:

• P = G/3, де G-витрата повітря.

Даний розрахунок характеризує роботу двигуна в ідеальних умовах, тобто без урахування втрат на трансмісію, сторонніх споживачів і аеродинамічний опір. Реальна потужність нижче обчисленої на 10 або навіть 20%.

Відповідно, величина витрати повітря визначається в лабораторних умовах на спеціальному стенді, на який встановлюють автомобіль.

Показання бортових датчиків сильно залежать від їх забруднення і від калібрування.

Тому розрахунок потужності двигуна на основі даних про витрату повітря є далеко не найточнішим і ефективним, але для отримання приблизних даних він цілком підійде.

Потужність через масу авто і час розгону до»сотні"

Розрахунок із застосуванням ваги автомобіля і його швидкості розгону до 100 км/год – один з найпростіших методів обчислення реальної потужності двигуна, адже маса авто і заявлений час розгону до "сотні" - паспортні параметри машини.

Цей метод актуальний для двигунів, що працюють на будь-яких видах палива-бензин – дизельне паливо, газ-адже він враховує лише динаміку розгону.

При розрахунку варто враховувати вагу транспортний засіб разом з водієм. Також щоб максимально наблизити результат обчислень до дійсного, варто врахувати і втрати, що витрачаються на гальмування, пробуксовку, а також швидкість реакції коробки передач. Грає роль і тип приводу. Наприклад, передньопривідні автомобілі втрачають на старті близько 0,5 секунди, задньопривідні-від 0,3 секунди до 0,4 секунди.

Залишається знайти в мережі калькулятор для розрахунку потужності авто через швидкість розгону, внести необхідні дані і отримати відповідь. Немає сенсу наводити математичні розрахунки, які виробляє калькулятор, через їх складність.

Результат обчислень буде одним з найточніших, наближених до реального.

Даний метод розрахунку реальної потужності машини багато хто вважає найзручнішим, адже автовласникам доведеться докласти мінімум зусиль-виміряти для чистоти експерименту швидкість розгону до 100 км/год і внести додаткові дані в автоматичний калькулятор.

Інші типи двигунів

Не секрет, що двигуни застосовуються не тільки в автомобілях, але і в промисловості і навіть в побуті. Двигуни різних розмірів можна знайти на заводах-приводять в рух вали - а також в побутовій техніці на зразок автоматичної м`ясорубки.

Іноді потрібно обчислити реальну потужність і таких двигунів. Як це зробити, описано далі.

Варто відразу зауважити, що розрахунок потужності 3-фазного двигуна можна зробити наступним чином:

• P = M_{крутний} * n, де M_{крутний} - крутний момент, а n-швидкість обертання валу.

Асинхронний двигун

Асинхронний агрегат-пристрій, особливість якого полягає в тому, що частота обертання магнітного поля, створюваного його статором, завжди більше частоти обертання його ротора.

Принцип дії асинхронної машини схожий на принцип дії трансформатора. Застосовуються закони електромагнітної індукції (змінюється в часі потокосцепление обмотки наводить в ній ЕРС) і Ампера (на провідник певної довжини, по якому тече струм, що знаходиться в полі з певним значенням індукції, діє електромагнітна сила).

Асинхронний двигун в загальному випадку складається з статора, ротора, вала і опори. Статор включає в себе наступні основні складові: обмотка, сердечник, корпус. Ротор складається з сердечника і обмотки.

Основне завдання асинхронного двигуна-перетворення електричної енергії, яка подається на обмотку статора, в механічну енергію, яку можна зняти з обертового валу.

Потужність асинхронного двигуна

У технічній галузі науки виділяють три види потужності:

• повну (позначається буквою S);
• активну (позначається буквою P);
• реактивну (позначається буквою Q).

Повну потужність можна представити у вигляді вектора, який має дійсну і уявну частину (варто згадати розділ математики, пов`язаний з комплексними числами).

Дійсна частина являє собою активну потужність, яка витрачається на виконання корисної роботи на зразок обертання валу, а також на виділення тепла.

Уявна частина виражена реактивної потужністю, яка бере участь у створенні магнітного потоку (позначається буквою Ф).

Саме магнітний потік лежить в основі принципу роботи асинхронного агрегату, синхронного двигуна, машини постійного струму, а також трансформатора.

Реактивна потужність використовується для заряду конденсаторів, створення магнітного поля навколо дроселів.

Активна потужність розраховується як добуток струму з напругою на коефіцієнт потужності:

• P = I * U * cosφ.

Реактивна потужність розраховується як добуток струму з напругою на коефіцієнт потужності, зсунутий по фазі на 90°. Інакше можна записати:

• Q = I * U * sinφ.

Значення повної потужності, якщо пам`ятати, що її можна представити у вигляді вектора, можна розрахувати за теоремою Піфагора як корінь суми квадратів активної і реактивної потужності:

• S = (P²+Q²)^1/2.

Якщо розрахувати формулу повної потужності в загальному вигляді, то вийде, що S - це твір струму на напругу:

• S = I * U.

Коефіцієнт потужності cosφ-це величина, чисельно рівна відношенню активної складової до повної потужності. Щоб знайти sinφ, знаючи cosφ, потрібно обчислити значення φ в градусах і знайти його синус.

Це стандартний розрахунок потужності двигуна по струму і напрузі.

Розрахунок потужності 3-фазного асинхронного агрегату

Щоб розрахувати корисну потужність на обмотці статора асинхронного 3-фазного двигуна, слід помножити фазну напругу на фазний струм і на коефіцієнт потужності, а отримане значення потужності помножити на три (за кількістю фаз):

• P_статор = 3 * U_ф * I_ф * cosφ.

Розрахунок потужності ел. двигуна, що має активний характер, тобто потужності, яка знімається з вала двигуна, проводиться так:

• P_{вихідна} = P_статор – P_втрата.

В асинхронному двигуні мають місце наступні втрати:

• електричні в обмотці статора;
• в сталі сердечника статора;
• електричні в обмотці ротора;
• механічний;
• додатковий.

Для розрахунку потужності трифазного двигуна в обмотці статора, що має реактивний характер, необхідно скласти три складові даного типу потужності, а саме:

• реактивну потужність, що витрачається на створення потоку розсіювання обмотки статора;
• реактивну потужність, що витрачається на створення потоку розсіювання обмотки ротора;
• реактивну потужність, що витрачається на створення основного потоку.

Реактивна потужність в асинхронному двигуні в основному витрачається на створення змінного електромагнітного поля, але частина потужності витрачається на створення потоків розсіювання. Потоки розсіювання послаблюють основний магнітний потік і знижують ефективність роботи асинхронного агрегату.

Потужність по струму

Розрахунок потужності асинхронного двигуна можна здійснити, використовуючи дані струму. Для цього слід виконати наступні дії:

1. Подати живлення в двигун.
2. За допомогою амперметра заміряти струм в кожному витку.
3. Розрахувати середнє значення струму за підсумками вимірів, виконаних у другому пункті.
4. Помножте середнє значення струму на напругу. Вийде потужність.

Потужність завжди можна розрахувати, як твір струму на напругу. При це важливо знати, які саме значення U і I слід брати. В даному випадку U-напруга живлення, це постійна величина, А I може варіюватися в залежності від того, на якій обмотці (статора або ротора) змиритися струм, тому необхідно вибрати саме його середнє значення.

Потужність по габаритам

Статор має безліч різних складових, одна з яких-сердечник. Для розрахунку потужності двигуна з використанням габаритів слід виконати наступні дії:

1. Виміряти довжину і діаметр сердечника.
2. Обчислити постійну C, яка буде використана при подальшому розрахунку. C = (π * D * n)/(120 * f), де D-діаметр сердечника, n-швидкість обертання валу, f-частота напруги (найчастіше це промислова частота 50 Гц).
3. Обчислити потужність P за формулою P = C * D² * l * n * 10^-6, де C-обчислена константа, D-діаметр сердечника, n-швидкість обертання валу, l-довжина сердечника.

Краще проводити всі вимірювання і обчислення з максимальною точністю, щоб Розрахунок потужності двигуна електроприводу був максимально наближений до дійсності.

Потужність по тяговій силі

Потужність асинхронного двигуна можна визначити і за допомогою Значення тягової сили. Для цього знадобиться виміряти радіус сердечника (чим точніше, тим краще), зафіксувати, з якою швидкістю обертається вал агрегату, а також виміряти за допомогою динамометра тягову силу двигуна.

Всі дані необхідно підставити в наступну формулу:

• P = 2 * π * F * n * r, де F-тягова сила, n-швидкість обертання валу, r-радіус сердечника.

Нюанс асинхронного двигуна

Всі вище наведені формули, які застосовуються для розрахунку потужності трифазного двигуна, дозволяють зробити важливий висновок про те, що двигуни можуть бути різних габаритів, мати різну частоту обертання, але в підсумку мати одну і ту ж потужність.

Це дозволяє конструкторам створювати моделі двигунів, які можна застосовувати в найрізноманітніших умова.

Двигун постійного струму

Двигуном постійного струму називається машина, що перетворює електричну потужність, одержувану від постійного струму, в механічну. Принцип її дії має мало спільного з асинхронної машиною.

Двигун постійного струму складається з статора, якоря і опори, а також контактних щіток і колектора.

Колектор-пристрій, що перетворює змінний струм в постійний (і навпаки).

Щоб розрахувати корисну потужність такого агрегату, яка витрачається на виконання будь-якої роботи, досить помножити ЕРС якоря на струм якоря:

• P = E_a * I_a.

Як видно, розрахунок потужності двигуна постійного струму набагато простіше розрахунків, вироблених в асинхронному двигуні.