Расчет мощности двигателя: методики и необходимые формулы

Кому-то необходимо рассчитать мощность двигательного агрегата, чтобы вычислить автомобильный налог. Некоторым важно самостоятельно произвести расчет мощности двигателя компрессора. Для кого-то важно точно знать мощности машины, чтобы сверить ее с той, что была заявлена. В целом расчет мощности и выбор двигателя – два неразделимых процесса.

Это не единственные причины, по которым автолюбители пытаются самостоятельно рассчитать мощности двигателей своих авто. Это довольно сложно сделать без наличия необходимых формул для расчета. Именно они будут приведены в этой статье, чтобы каждый автомобилист мог сам посчитать, сколько же составляет реальная мощность двигателя его авто.

Вам будет интересно:Пополняем словарный запас: постоялец — это…

Введение

Существует как минимум четыре распространенных способа расчета мощности двигателя внутреннего сгорания. В данных методах применяются следующие параметры двигательного агрегата:

• Обороты.
• Объем.
• Крутящий момент.
• Эффективное давление внутри камеры сгорания.

Для вычислений необходимо знать и вес автомобиля, а также время разгона до 100 км/ч.

Каждая из далее приведенных формул расчета мощности двигателя имеет некоторую погрешность и не может дать на 100% точный результат. Это всегда стоит учитывать при анализе полученных данных.

Если рассчитать мощность по всем формулам, которые будут описаны в статье, можно узнать среднее значение реальной мощности мотора, а расхождение с действительным результатом составит не более 10%.

Вам будет интересно:Как находить произведение матриц. Умножение матриц. Скалярное произведение матриц. Произведение трех матриц

Если не учитывать различные научные тонкости, связанные с определением технических понятий, то можно сказать, что мощность – это энергия, вырабатываемая двигательным агрегатом и преобразуемая в крутящий момент на валу. При этом мощность – величина непостоянная, а ее максимальное значение достигается при определенной скорости вращения вала (указывается в паспортных данных).

В современных двигателях внутреннего сгорания максимальная мощность достигается при 5,5-6,6 тысяч оборотов в минуту. Она наблюдается при наибольшем среднем эффективном значении давления в цилиндрах. Величина этого давления зависит от следующих параметров:

• качество топливной смеси;
• полнота сгорания;
• топливные потери.

Мощность, как физическая величина, измеряется в Ваттах, а в автомобильной отрасли она измеряется в лошадиных силах. Расчеты, описываемые в методах далее, будут давать результаты в киловаттах, затем их понадобится перевести в лошадиные силы с помощью специального калькулятора-конвертера.

Расчет мощности двигателя: методики и необходимые формулы

Мощность движка — это энергия, которая образуется внутри ДВС во время его работы. Этот показатель является ключевым для любого автомобиля, а при выборе машины на него ориентируется многие автомобилисты. Определить его можно различными способами. Перечислим основные методики:

• Через обороты и крутящий момент.
• По объему ДВС.
• По расходу воздуха.
• По массе и времени разгона до 100 километров в час.
• По производительности впрыскивающих форсунок.

Главной единицей измерения мощности являются ватты, однако иногда этот показатель выражают с помощью лошадиных сил. Между этими единицами измерения есть простая зависимость, поэтому при необходимости, лошадиные силы, можно легко преобразовать в ватты (и наоборот).

В нашей статье, мы рассмотрим основные формулы определения мощности, а также узнаем, как перевести лошадиные силы в ватты.

Мощность через крутящий момент

Вам будет интересно:Обомлеть — это что значит? Определение и синонимы

Один из способов вычисления мощности является определение зависимости крутящего момента мотора от количества оборотов.

Любой момент в физике – произведение силы на плечо ее приложения. Крутящий момент – произведение силы, которую может развивать двигатель для преодоления сопротивления нагрузки, на плечо ее приложения. Именно данный параметр определяет, насколько быстро мотор достигает своей максимальной мощности.

Крутящий момент можно определить, как отношение произведения рабочего объема на среднее эффективное давление в камере сгорания к 0,12566 (константа):

• M = (Vрабочий * Pэффективное)/0,12566, где Vрабочий – рабочий объем мотора [л], Pэффективное – эффективное давление в камере сгорания [бар].

Обороты двигателя характеризуют скорость вращения коленвала.

Используя величины крутящего момента и оборотов двигателя, можно использовать следующую формулу расчета мощности двигателя:

• P = (M * n)/9549, где M – крутящий момент [Нм], n – скорость вращения вала [об/мин], 9549 – коэффициент пропорциональности.

Рассчитанная мощность измеряется в киловаттах. Чтобы перевести вычисленную величину в лошадиные силы, нужно результат умножить на коэффициент пропорциональности 1,36.

Этот способ вычисления состоит в использовании всего двух элементарных формул, поэтому считается одним из самых простых. Правда, можно поступить еще проще и воспользоваться онлайн-калькулятором, в который необходимо внести определенные данные об автомобиле и его двигательном агрегате.

Стоит заметить, что данная формула расчета мощности двигателя позволяет рассчитать лишь ту мощность, которая получается на выходе двигателя, а не ту, которая реально доход до колес автомобиля. В чем разница? Пока мощность (если представить ее как поток) доходит до колес, она испытывает потери в раздаточной коробке, например. Играют весомую роль и побочные потребители вроде кондиционера или генератора. Нельзя не упомянуть потери на преодоление сопротивления подъему, качению, а также аэродинамическому сопротивлению.

Частично этот недостаток компенсируется использованием других расчетных формул.

Расчет по лошадиным силам

Если Вам известно количество лошадиных сил Вашего движка, то можно легко узнать и вычислить мощность двигателя. Для подсчета используется простая формула:

М = М(ЛС) x 0,735

Расшифровывается она так:

• М(ЛС) — мощность двигателя внутреннего сгорания, выраженная в лошадиных силах.
• 0,735 — это поправочный коэффициент, на который необходимо умножить количество Ваших «лошадок».

Мощность через объем двигателя

Не всегда есть возможность определить крутящий момент двигателя. Иногда автовладельцы и вовсе не знают значения этого параметра. В таком случае мощность двигательного агрегата можно узнать при помощи объема мотора.

Для этого понадобится умножить объем агрегата на частоту вращения коленвала, а также на среднее эффективное давление. Полученную величину необходимо разделить на 120:

• P = (V * n * Pэффективное)/120 где V – объем двигателя [см3], n – скорость вращения коленвала [об/мин], Pэффективное – среднее эффективное давление [МПА], 120 – константа, коэффициент пропорциональности.

Так производится расчет мощности двигателя автомобиля с помощью объема агрегата.

Чаще всего значение Pэффективное в бензиновых двигателях стандартного образца варьируется от 0,82 МПа до 0,85 МПа, в форсированных моторах – 0,9 МПа, а в дизельных агрегатах значение давления находится в промежутке от 0,9 МПа до 2,5 МПа.

Вам будет интересно:»Неожиданный» — это какой? Значение слова

При использовании данной формулы для расчета реальной мощности мотора, чтобы перевести кВт в л. с., необходимо разделить полученную величину на коэффициент, равный 0,735.

Данный метод расчета также далеко не самый сложный и занимает минимум времени и усилий.

С помощью этого метода можно произвести расчет мощности двигателя насоса.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ)

Внешняя скоростная характеристика двигателя показывает зависимость мощности, расхода топлива и крутящего момента от числа оборотов коленвала. Все эти параметры показываются графически в виде кривых.

Внешняя скоростная характеристика

На рисунке можно видеть кривые с обозначениями Pe – мощность двигателя, Mе – крутящий момент, ge – удельный расход топлива. Как видно, с ростом числа оборотов и мощности увеличивается расход топлива. Крутящий момент растет до определенного уровня, а затем идет на спад. В точке, где наиболее эффективный крутящий момент и мощность двигателя, будет самый оптимальный показатель расхода топлива.

Производители моторов борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке. Такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет быстро ускоряться.

Внешняя скоростная характеристика дает оценку динамическим характеристикам автомобиля, определяет КПД и топливный расход при разных параметрах.

Высокий крутящий момент на более низких оборотах увеличивает тяговую силу агрегата, грузоподъемность и проходимость.

Мощность через расход воздуха

Мощность агрегата можно определить и по расходу воздуха. Правда, данный метод расчета доступен только тем автовладельцам, у которых установлен бортовой компьютер, позволяющий зафиксировать расход воздуха при 5,5 тысячи оборотов на третьей передаче.

Чтобы получить приблизительную мощность двигателя, необходимо полученный при вышеописанных условиях расход разделить на три. Формула выглядит так:

• P = G/3, где G – расход воздуха.

Данный расчет характеризует работу двигателя в идеальных условиях, то есть без учета потерь на трансмиссию, сторонних потребителей и аэродинамическое сопротивление. Реальная мощность ниже вычисленной на 10 или даже 20%.

Соответственно, величина расхода воздуха определяется в лабораторных условиях на специальном стенде, на который устанавливают автомобиль.

Показания бортовых датчиков сильно зависят от их загрязнения и от калибровки.

Поэтому расчет мощности двигателя на основе данных о расходе воздуха является далеко не самым точным и эффективным, но для получения приблизительных данных он вполне подойдет.

Мощность через массу авто и время разгона до «сотни»

Расчет с применением веса автомобиля и его скорости разгона до 100 км/ч – один из самых простых методов вычисления реальной мощности двигателя, ведь масса авто и заявленное время разгона до «сотни» – паспортные параметры машины.

Этот метод актуален для двигателей, работающих на любых видах топлива – бензин, дизельное топливо, газ – ведь он учитывает лишь динамику разгона.

При расчете стоит учитывать вес транспортного средства вместе с водителем. Также чтобы максимально приблизить результат вычислений к действительному, стоит учесть и потери, затрачиваемые на торможение, пробуксовку, а также скорость реакции коробки передач. Играет роль и тип привода. Например, переднеприводные автомобили теряют на старте около 0,5 секунды, заднеприводные – от 0,3 секунды до 0,4 секунды.

Остается найти в сети калькулятор для расчета мощности авто через скорость разгона, внести необходимые данные и получить ответ. Нет смысла приводить математические расчеты, которые производит калькулятор, из-за их сложности.

Результат вычислений будет одним из самых точных, приближенных к реальному.

Данный метод расчета реальной мощности машины многие считают самым удобным, ведь автовладельцам придется приложить минимум усилий – измерить для чистоты эксперимента скорость разгона до 100 км/ч и внести дополнительные данные в автоматический калькулятор.

Расчет по массе и времени разгона от нуля до сотни

Также можно определить, как измеряется мощность двигателя по общему весу автомобиля и времени его разгона до 100 километров в час. К сожалению, у этого способа есть большой недостаток – конечная формула достаточно сложна и может сильно варьироваться в зависимости от технических характеристик автомобиля (типа езды, характера трансмиссии и т.д.).

Оптимальный алгоритм действия:

1. Ускорьте ваш автомобиль с 0 до 60 километров в час. Определите время разгона любым удобным способом (обычно это делается с помощью бортового компьютера).
2. Узнайте вес Вашей машины – это можно сделать с помощью одного и того же бортового компьютера, технической документации и так далее.
3. Используйте наш калькулятор – введите вес и время разгона, выберите тип привода, укажите передачу.

Другие типы двигателей

Не секрет, что двигатели применяются не только в автомобилях, но и в промышленности и даже в быту. Двигатели разных размеров можно найти на заводах – приводят в движение валы – а также в бытовой технике вроде автоматической мясорубки.

Иногда требуется вычислить реальную мощность и таких двигателей. Как это сделать, описано далее.

Стоит сразу заметить, что расчет мощности 3-фазного двигателя можно произвести следующим образом:

• P = Mкрутящий * n, где Mкрутящий – крутящий момент, а n – скорость вращения вала.

Асинхронный двигатель

Асинхронный агрегат – устройство, особенность которого заключается в том, что частота вращения магнитного поля, создаваемого его статором, всегда больше частоты вращения его ротора.

Принцип действия асинхронной машины похож на принцип действия трансформатора. Применяются законы электромагнитной индукции (изменяющееся во времени потокосцепление обмотки наводит в ней ЭДС) и Ампера (на проводник определенной длины, по которому течет ток, находящийся в поле с определенным значением индукции, действует электромагнитная сила).

Асинхронный двигатель в общем случае состоит из статора, ротора, вала и опоры. Статор включает в себя следующие основные составляющие: обмотка, сердечник, корпус. Ротор состоит из сердечника и обмотки.

Основная задача асинхронного двигателя – преобразование электрической энергии, которая подается на обмотку статора, в механическую энергию, которую можно снять с вращающегося вала.

Мощность асинхронного двигателя

В технической области науки выделяют три вида мощности:

• полную (обозначается буквой S);
• активную (обозначается буквой P);
• реактивную (обозначается буквой Q).

Полную мощность можно представить в виде вектора, который имеет действительную и мнимую часть (стоит вспомнить раздел математики, связанный с комплексными числами).

Действительная часть представляет собой активную мощность, которая затрачивается на выполнение полезной работы вроде вращения вала, а также на выделение тепла.

Мнимая часть выражена реактивной мощностью, которая принимает участие в создании магнитного потока (обозначается буквой Ф).

Именно магнитный поток лежит в основе принципа работы асинхронного агрегата, синхронного двигателя, машины постоянного тока, а также трансформатора.

Реактивная мощность используется для заряда конденсаторов, создания магнитного поля вокруг дросселей.

Активная мощность рассчитывается как произведение тока с напряжением на коэффициент мощности:

• P = I * U * cosφ.

Реактивная мощность рассчитывается как произведение тока с напряжением на коэффициент мощности, сдвинутый по фазе на 90°. Иначе можно записать:

• Q = I * U * sinφ.

Значение полной мощности, если помнить, что ее можно представить в виде вектора, можно рассчитать по теореме Пифагора как корень суммы квадратов активной и реактивной мощности:

• S = (P2+Q2)1/2.

Если рассчитать формулу полной мощности в общем виде, то получится, что S – это произведение тока на напряжение:

• S = I * U.

Коэффициент мощности cosφ – это величина, численно равная отношению активной составляющей к полной мощности. Чтобы найти sinφ, зная cosφ, нужно вычислить значение φ в градусах и найти его синус.

Это стандартный расчет мощности двигателя по току и напряжению.

Вам будет интересно:Инженерия знаний. Искусственный интеллект. Машинное обучение

Понятие мощности электродвигателя

Мощность – пожалуй, самый важный параметр при выборе электродвигателя. Традиционно она указывается в киловаттах (кВт), у импортных моделей – в киловаттах и лошадиных силах (л.с., HP, Horse Power). Для справки: 1 л.с. приблизительно равна 0,75 кВт.

На шильдике двигателя указана номинальная полезная (отдаваемая механическая) мощность

. Это та мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке с заявленными параметрами без перегрева. В формулах номинальная механическая мощность обозначается через Р2.

Электрическая (потребляемая) мощность

двигателя Р1 всегда больше отдаваемой Р2, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением. Как известно из курса физики, потери в любом устройстве определяются через КПД (ƞ), который всегда менее 100%. В данном случае справедлива формула:

Р2 = Р1 · ƞ

КПД в двигателях зависит от номинальной мощности – у маломощных моделей он может быть менее 0,75, у мощных превышает 0,95. Приведенная формула справедлива для активной потребляемой мощности. Но, поскольку электродвигатель является активно-реактивной нагрузкой, для расчета полной потребляемой мощности S

(с учетом реактивной составляющей) нужно учитывать реактивные потери. Реактивная составляющая выражается через коэффициент мощности (cosϕ). С её учетом формула номинальной мощности двигателя выглядит так:

Р2 = Р1 · ƞ = S · ƞ · cosϕ

Расчет мощности 3-фазного асинхронного агрегата

Чтобы рассчитать полезную мощность на обмотке статора асинхронного 3-фазного двигателя, следует умножить фазное напряжение на фазный ток и на коэффициент мощности, а полученное значение мощности умножить на три (по количеству фаз):

• Pстатора = 3 * Uф * Iф * cosφ.

Расчет мощности эл. двигателя, имеющей активный характер, то есть мощности, которая снимается с вала двигателя, производится так:

• Pвыходная = Pстатора – Pпотерь.

В асинхронном двигателе имеют место следующие потери:

• электрические в обмотке статора;
• в стали сердечника статора;
• электрические в обмотке ротора;
• механические;
• добавочные.

Для расчета мощности трехфазного двигателя в обмотке статора, имеющей реактивный характер, необходимо сложить три составляющие данного типа мощности, а именно:

• реактивную мощность, расходуемую на создание потока рассеяния обмотки статора;
• реактивную мощность, расходуемую на создание потока рассеяния обмотки ротора;
• реактивную мощность, расходуемую на создание основного потока.

Реактивная мощность в асинхронном двигателе в основном расходуется на создание переменного электромагнитного поля, но часть мощности расходуется на создание потоков рассеяния. Потоки рассеяния ослабляют основной магнитный поток и снижают эффективность работы асинхронного агрегата.

Мощность по току

Расчет мощности асинхронного двигателя можно осуществить, используя данные тока. Для этого следует выполнить следующие действия:

Мощность всегда можно рассчитать, как произведение тока на напряжение. При этом важно знать, какие именно значения U и I следует брать. В данном случае U – напряжение питания, это постоянная величина, а I может варьироваться в зависимости от того, на какой обмотке (статора или ротора) замеряется ток, поэтому необходимо выбрать именно его среднее значение.

Мощность по габаритам

Статор имеет множество различных составляющих, одна из которых – сердечник. Для расчета мощности двигателя с использованием габаритов следует выполнить следующие действия:

Лучше производить все измерения и вычисления с максимальной точностью, чтобы расчет мощности двигателя электропривода был максимально приближен к действительности.

Мощность электродвигателя по установочным и габаритным размерам

Для первого способа необходимо знать установочные размеры электродвигателя и синхронную частоту вращения. Последняя измеряется с помощью мультиметра, установленного в режим миллиамперметра. Для этого указатель колеса выбора устанавливаем на значение 100µA. Щуп черного цвета подключаем в общее гнездо «COM», а щуп красного цвета – к гнезду для измерения напряжения, сопротивления и силы тока до 10 А.

После этого обесточиваем электродвигатель и снимаем крышку с клеммной коробки. Щупы мультиметра подключаем к началу и концу любой из обмоток (например, V1 и V2). После этого рукой медленно проворачиваем вал двигателя так, чтобы он совершил один оборот, и считаем количество отклонений стрелки из состояния покоя, которые она сделает за это время. Число отклонений стрелки за один оборот вала равно количеству полюсов и соответствует такой синхронной частоте вращения: Теперь необходимо выяснить установочные размеры двигателя. Для замеров используем штангенциркуль, механический или электронный, а также измерительную рулетку. Записываем результаты измерений в миллиметрах: диаметр и длину вылета вала, высоту оси вращения, расстояние между центрами отверстий в «лапах», а если двигатель фланцевый, то диаметр фланца и диаметр крепежных отверстий.Полученные данные сравниваем с параметрами из таблиц 1-3. Таблица 1. Определение мощности двигателя по диаметру вала и его вылету Таблица 2. Определение мощности по расстоянию между отверстиями в лапах Таблица 3. Определение мощности по диаметру фланца и крепежных отверстий