Спробуємо зрозуміти що таке момент і потужність, чим вони відрізняються, як вони пов'язані, в чому вимірюються. Виведемо формулу співвідношення потужності і моменту. Порівняємо дизель з бензиновим двигуном. З'ясуємо що в Nascar потрібен момент, а в Formula 1 потужність. Розглянемо графіки характеристик ідеального і декількох реальних двигунів. Але для початку згадаємо що з себе представляють по визначенню момент і потужність.
Для здійснення роботи потрібно докласти силу. Наприклад, для переміщення об'єкта на якусь відстань необхідно прикласти силу, тим самим зробивши роботу з переміщення цього об'єкта. Сила це похідна від роботи за відстанню. (В загальному випадку - похідна це швидкість зміни функції)
Роботу можна виконати за різний час, можна швидко, а можна повільно. Для характеристики часу виконання роботи вводять поняття потужності. Іншими словами потужність характеризує швидкість здійснення роботи. Чим швидше виконується робота, тим більше потужності потрібно витрачати. Потужність це похідна від роботи за часом.
Отже, коли сила застосовується для лінійного переміщення тіла на відстань це називають роботою. Але, наприклад, для обертання валу теж потрібно прикладати силу, але лінійного переміщення при цьому не відбувається. Таке переміщення називають кутовим (поворот валу), а таку роботу називають (обертає або обертовим) моментом. Тобто сила, прикладена до валу і обертає його здійснює роботу. Момент це робота по обертанню вала.
Стосовно до ДВС
У ДВС повітряно-паливна суміш згорає в камері згоряння тисне на пошнень з певною силою і поршень обертає колінвал, створюючи на ньому крутний момент. При цьому колінвал обертається з певною (кутовий) швидкістю. Що розвивається при цьому потужність двигуна буде твором моменту на число оборотів (за одиницю часу). Для збільшення потужності потрібно збільшувати момент або збільшувати швидкість обертання коленвала. Для збільшення моменту потрібно прикладати більше сили до поршня, тобто спалювати більше палива, але ж ми тепер працюємо на оптимальному складі повітряно-паливної суміші і її збагачення не дасть поліпшення. Але ми можемо підпалювати суміш частіше, збільшуючи кількість обертів. Виходить що пік потужності завжди буде на високих оборотах, поки він не упреться в конструктивні обмеження (зависання клапанів, занадто великі інерційні втрати і т. Д.). Підвищення максимальних обертів це один із способів досягнення високої потужності двигуна.
Що ж краще момент або потужність?
З одного боку крутить саме момент. Так чому ж, наприклад, трактор, маючи приголомшливий момент на колесах, зовсім не валить? Справа в тому, що момент можна легко змінювати. Ми кожен день це робимо перемикаючи передачі трансмісії (у деяких вони переключаються самі), передаючи при цьому різний момент на колеса при незмінному моменті на валу двигуна. А що при цьому відбувається з потужністю? В силу того що потужність це твір моменту на кутову швидкість, то потужність залишається незмінною, адже кутова швидкість падає прямо пропорційно зростанню крутного моменту.
У підсумку виходить, щоб зробити роботу по переміщенню автомобіля масою m з точки А в точку Б потрібен достатній момент (для подолання сил тертя і опору коченню), щоб робити це швидко потрібна потужність.
У чому вимірюють
Хоча зазвичай прийнято потужність вважати у ВАТ, автомобілісти історично використовують [кінську силу], яка приблизно дорівнює 735 ватам. Тобто потужність двигуна в 100 л. с. відповідає 73,5 КВт, а двигун зарядженого авто з потужністю понад 1000 к.с. відповідає майже одному мегават.
як співвідносяться
Отже, формула для потужності: P = M • w, де P - потужність [Вт], M - момент [Н • м], w - кутова швидкість [рад / с]. Привівши кутову швидкість до оборотів в хвилину отримуємо: RPM = 60 * w. Пам'ятаючи що кінська сила це 735 Вт, отримуємо співвідношення для потужності в кінських силах:
Pл.с. = M • RPM / 7018
Відзначимо, що на 7018 оборотах на хвилину потужність і момент чисельно збігаються. Знаючи потужність можна визначити момент і навпаки.
графіки характеристик
Для вимірювання характеристик двигуна використовують динамометрический стенд. Хоча вірніше буде сказати що він заміряє момент, а потужність вираховують за наведеною вище формулою. В ідеалі двигун повинен мати постійний у всьому діапазоні момент і, відповідно, лінійно зростаючу потужність.
У реальних же умовах на малих обертах наповнюваність циліндрів не велика через малого розрядження, а на великих оборотах позначаються інші проблеми. Подивимося на характеристики двигуна Renault K7M (Logan).
Видно, що характеристика моменту лінійна лише в невеликому діапазоні робочих оборотів (цей діапазон називають полицею моменту). Для збільшення полки моменту використовують різні рішення. Для поліпшення наповнення циліндрів застосовують до п'яти клапанів на циліндр. На високих оборотах кулачки распредвала настільки швидко відкривають клапана, що пружини клапанів не встигають повернути клапан в закрите положення, кажуть що клапана зависають. Для вирішення цієї проблеми зменшують масу клапанів, штовхачів і пружин. Або, наприклад, відмовляються від пружин для закриття клапанів (десмодромного механізм). У двигунах формули 1 використовують пневмопривід. Також на високих оборотах клапана відкриваються на менший час, але при цьому через двигун доводиться проганяти більший обсяг суміші. При цьому виявляється корисним зміна фаз газорозподілу і збільшення кута перекриття впускних і випускних клапанів для кращого продування циліндрів. Для цього служать системи типу VTEC, VVTI, Vanos і т.п. У кожного виробника вони називаються по-різному, але виконують одну суть - зміщують положення розподілвалів щодо коленвала і відносно один одного, дозволяючи змінювати фази газорозподілу на потрібних оборотах. Відносно нашого питання це дозволяє збільшити момент на верхах, розширивши полку моменту.
Бензин або Дизель?
Бензин, як відомо, має велику температуру горіння і виділяє при цьому більше енергії. Крім того, дизельний двигун має більш обмежений діапазон обертів, отже великої потужності з дизеля не відкинеш. Тому дизель оптимізований під момент (довгі шатуни і великий хід поршня). А щоб він хоч якось їхав на нього зазвичай встановлюють турбіну, адже дизель не має проблем з детонацією при збільшенні ступеня стиснення. Наведу як приклад характеристики двигуна Opel Z13DTH (Astra-H, Corsa-D) - це турбо-дизель з об'ємом 1.3 літра.
Двигун має досить малу потужність в 90 л.с. (На 4000 об / хв), але зате момент в 200 Нм. Тут буде впевнений підхоплення з низів, але мала максимальна швидкість автомобіля (172 км / год для Astra при 1250 кг маси). Мала потужність характеризується різким падінням моменту на максимальних обертах і, власне, невисокими максимальними оборотами.
Nascar або Formula1?
Максимальна потужність і максимальний момент
Що ж означає максимальна потужність і коли вона доступна.
Всі напевно знають яку максимальну потужність, яку видає їх двигун. І при порівнянні різних авто кількість кобил під капотом є якщо не основним, то досить суттєвим фактором. Візьмемо, наприклад, бензиновий дволітровий двигун від Mazda Skyactiv. Мотор має потужність 155 к.с. правда на 6000 оборотах на хвилину.
А як часто ви розкручуєте мотор до таких оборотів? Який при цьому буде витрата палива? Взявши "міський" діапазон оборотів 3-4 тис. Об / хв, з цього мотора можна зняти потужність від 75 до 110 к.с. що в півтора рази нижче максимальної. Зате в цей діапазон оборотів входить максимум моменту. Виходить, що максимальний момент в міському циклі реалізується набагато частіше, ніж максимальна потужність. Остання знадобиться якщо ми вирішимо брати участь в гонках, ну або хоча-б виїдемо на автобан без швидкісних обмежень. До речі, червона зона у цього мотора починається з 6500 об / хв і характеризується падінням потужності і значним провалом в моменті. Не кажучи про шкоду таких оборотів для двигуна, можна однозначно сказати що їзда на таких оборотах вкрай неефективна.
У підсумку маємо, що потужність це похідна від моменту. Двигун розвиває момент, а потужність характеризує швидкість обертання валу при видається моменті. Потужність показує максимальну швидкість, яку зможе розвинути автомобіль. Момент же показує "тяговитість", тобто характеризує здатність двигуна "тягнути" автомобіль, і щоб зрозуміти наскільки швидко двигун тягне машину, вводять поняття потужності.
Так, ви абсолютно праві. Дякую за зауваження.
1. Сила це похідна роботи по відстані (шляху), а не навпаки.
> 2. момент - це не робота.
А як би ви назвали роботу по обертанню вала?
ну крутний момент - це сила, яка прикладена до валу. А ось саме обертання валу це робота, що здійснюються в результаті дії цієї сили.
Справа в тому, що по розмірності момент [H • м] це не є сила [H]. А ось сила прикладена до валу і обертає вал (вал робить кутове переміщення) це робота.
момент по розмірності і не має збігатися з силою, тому що це різні поняття. а то, що момент збігається з розмірності з роботою - це просто збіг, яке зовсім не ставить знак рівності між поняттями моменту і роботи
ну я трохи не правий був, так, момент сили - це добуток сили на вектор, вона характеризує саме обертальний дію сили на (в даному випадку) вал.
як уже зазначили, момент - це сила прикладена до важеля. робота при обертальному русі обчислюється як інтеграл моменту по зміні кута. кут виміряний в радіанах - величина безрозмірна, тому розмірність інтеграла так і залишається Н * м, тобто розмірність роботи
що ж стосується назви, то не важливо як робота здійснюється: обертальним рухом, поступальним або їх комбінацією. це все одно робота - інтеграл сили шляхом. просто в разі в обертовим рухом можна взяти силу і проинтегрировать по шляху, пройденого по колу, а можна взяти момент і проинтегрировать по куту. результат буде абсолютно однаковий