Obliczanie mocy silnika: wymagane metody i wzory

Niektórzy potrzebują obliczyć moc jednostki silnikowej, aby obliczyć podatek samochodowy. Niektórzy ludzie chcą sami obliczyć moc silnika sprężarki. Dla niektórych osób ważne jest, aby wiedzieć dokładnie, jaka jest moc znamionowa maszyny, aby mogli ją sprawdzić w stosunku do reklamowanej liczby. Ogólnie rzecz biorąc, obliczanie mocy i wybór silnika to dwa nierozłączne procesy.

Nie są to jedyne powody, dla których entuzjaści motoryzacji próbują obliczyć moc silnika swoich samochodów. Jest to raczej trudne do wykonania bez niezbędnych wzorów do obliczeń. Są one wymienione w tym artykule, aby każdy kierowca mógł sam obliczyć, ile wynosi rzeczywista moc silnika jego pojazdu.

Wstęp

Istnieją co najmniej cztery powszechnie stosowane metody obliczania mocy wyjściowej silnika spalinowego. W metodach tych wykorzystuje się następujące parametry mocy silnika:

1. RPM.
2. Zakres.
3. Moment obrotowy.
4. Ciśnienie efektywne w komorze spalania.

Do obliczeń niezbędna jest również znajomość masy samochodu oraz czas przyspieszenia do 100 km/h.

Każdy z poniższych wzorów na obliczenie mocy silnika obarczony jest pewną niepewnością i może nie dać w 100% dokładnego wyniku. Warto o tym zawsze pamiętać, analizując uzyskane dane.

Obliczając moc według wszystkich wzorów, które zostaną opisane w artykule, można znaleźć średnią wartość rzeczywistej mocy silnika, a rozbieżność z rzeczywistym wynikiem będzie nie większa niż 10%.

Pomijając różne subtelności naukowe związane z definicją terminów technicznych, można powiedzieć, że moc to energia wytwarzana przez jednostkę silnikową i zamieniana na moment obrotowy na wale. Moc jest wartością zmienną, a jej maksymalna wartość jest osiągana przy określonej prędkości obrotowej wału (podanej w karcie katalogowej).

W nowoczesnych silnikach spalinowych moc maksymalna osiągana jest przy 5,5-6,6 tys. obrotów na minutę. Obserwuje się, że przy najwyższym średnim efektywnym ciśnieniu w cylindrze. Wartość tego ciśnienia zależy od następujących parametrów:

• Jakość mieszanki paliwowej;
• efektywność spalania;
• straty paliwa.

Moc, jako wielkość fizyczna, mierzona jest w watach, ale w przemyśle motoryzacyjnym mierzona jest w koniach mechanicznych. Obliczenia opisane w poniższych metodach dadzą wyniki w kilowatach, następnie należy je przeliczyć na konie mechaniczne za pomocą specjalnego konwertera-kalkulatora.

Moc dzięki momentowi obrotowemu

Jednym ze sposobów obliczania mocy jest określenie zależności między momentem obrotowym silnika a liczbą obrotów.

Każdy moment obrotowy w fizyce jest iloczynem siły przez jej dźwignię. Moment obrotowy to iloczyn siły, jaką może rozwinąć silnik, aby pokonać opór ładunku, i ramienia przyłożenia ładunku. Tak szybko silnik osiąga swoją maksymalną moc.

Moment obrotowy można określić jako stosunek przemieszczenia razy średnie ciśnienie efektywne w komorze spalania do 0,12566 (stałe):

• M = (V_działający * P_sprawny)/0,12566, gdzie V_działający - pojemność skokowa silnika [l], P_skuteczny - to ciśnienie efektywne w komorze spalania [bar].

Prędkość obrotowa silnika opisuje prędkość obrotową wału korbowego.

Wykorzystując wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika, do obliczenia mocy silnika można zastosować następujący wzór:

• P = (M * n)/9549, gdzie M to moment obrotowy [Nm], n to prędkość obrotowa wału [obr/min], 9549 to współczynnik kształtu.

Obliczona moc jest mierzona w kilowatach. Aby przeliczyć to na HP, wynik należy pomnożyć przez współczynnik proporcjonalności 1,36.

Ta metoda obliczeniowa składa się tylko z dwóch elementarnych wzorów i dlatego jest uważana za jedną z najprostszych. Można jednak postąpić jeszcze prościej i skorzystać z kalkulatora online, w którym należy wpisać pewne dane dotyczące pojazdu i jego jednostki silnikowej.

Warto zauważyć, że ten wzór na obliczanie mocy silnika pozwala obliczyć tylko moc oddawaną przez silnik, a nie moc, która faktycznie dociera do kół samochodu. Jaka jest różnica? Podczas gdy moc (jeśli wyobrazić ją sobie jako przepływ) dociera do kół, doświadcza strat w skrzyni biegów, np. Pewną rolę odgrywają również opcjonalne dodatki, takie jak klimatyzacja czy alternator. Nie należy pomijać strat związanych z oporem podnoszenia, oporem toczenia i opór aerodynamiczny.

Częściowo ta wada jest kompensowany przez zastosowanie innych formuł obliczeniowych.

Moc poprzez pojemność skokową silnika

Nie zawsze możliwe jest określenie momentu obrotowego silnika. Czasami właściciele samochodów w ogóle nie znają wartości tego parametru. W tym przypadku moc jednostki silnikowej może być określona przez objętość silnika.

W tym celu należy pomnożyć przemieszczenie maszyny przez prędkość obrotową wału korbowego i średnie ciśnienie efektywne. Otrzymaną wartość należy podzielić przez 120:

• P = (V * n * P_sprawny)/120 gdzie V to objętość silnika [cm³], n - prędkość obrotowa wału korbowego [obr/min], P_Skuteczna - średnie ciśnienie efektywne [MPa], 120 - stała, współczynnik proporcjonalności.

W ten sposób obliczasz mocy silnika pojazdu objętość jednostki.

Wartość P_skuteczny w standardowych silnikach benzynowych wynosi od 0,82 MPa do 0,85 MPa, w silnikach z nadbiegiem od 0,9 MPa, a w silnikach Diesla ciśnienie wynosi od 0,9 MPa do 2,5 MPa.

Stosując ten wzór do obliczenia rzeczywistej mocy silnika, aby przeliczyć kW na l. с., wynik podzielić przez współczynnik 0,735.

Ta metoda obliczeniowa jest również daleka od najbardziej skomplikowanej i wymaga minimalnego czasu i wysiłku.

Do obliczenia mocy silnika pompy stosuje się następujący wzór.

Wyjście przez przepływ powietrza

Wydajność urządzenia może być również określona na podstawie natężenia przepływu powietrza. Ten sposób obliczania dostępny jest jednak tylko dla właścicieli samochodów, którzy zainstalowali komputer pokładowy umożliwiający rejestrację zużycia powietrza przy 5,5 tys. obr/min na trzecim biegu.

Aby uzyskać przybliżoną moc silnika, zużycie uzyskane w warunkach opisanych powyżej należy podzielić przez trzy. Wzór jest następujący:

• P = G/3, gdzie G oznacza zużycie powietrza.

Obliczenia te opisują pracę silnika w idealnych warunkach, tj. bez uwzględnienia strat w układzie napędowym, odbiornikach zewnętrznych i oporu aerodynamicznego. Rzeczywista moc wyjściowa jest o 10 lub nawet 20% mniejsza od obliczonej.

Zużycie powietrza jest więc określane w laboratorium przy użyciu stanowiska badawczego.

Odczyty wskaźników pokładowych są silnie uzależnione od zanieczyszczenia i kalibracji.

Tak więc obliczanie mocy silnika na podstawie danych o zużyciu powietrza nie jest w żadnym wypadku najdokładniejsze ani najbardziej efektywne, ale sprawdza się jako przybliżony przewodnik.

Moc poprzez masę pojazdu i czas przyspieszenia do "setki"

Obliczenia z wykorzystaniem masy samochodu i jego prędkości przyspieszenia do 100 km/h to jedna z najprostszych metod obliczania rzeczywistej mocy silnika, ponieważ masa samochodu i deklarowany czas przyspieszenia do "setki" - parametry paszportowe maszyny.

Metoda ta jest odpowiednia dla silników wykorzystujących każdy rodzaj paliwa - benzynę, olej napędowy, gaz - ponieważ uwzględnia jedynie dynamikę przyspieszenia.

Waga jest uwzględniana w obliczeniach pojazd razem z kierowcą. Ponadto, aby wynik był jak najbardziej zbliżony do rzeczywistości, warto wziąć pod uwagę straty ponoszone na hamowanie, poślizg i prędkość reakcji przekładni. Rodzaj napędu również odgrywa rolę. Na przykład samochody z napędem na przednią oś tracą 0,5 sekundy na rozruchu, podczas gdy samochody z napędem na tylną oś tracą 0,3 do 0,4 sekundy.

Wystarczy wejść do internetu i obliczyć moc wyjściową za pomocą przyspieszenia, uzupełnić potrzebne dane i masz odpowiedź. Nie ma sensu przedstawiać obliczeń matematycznych wykonywanych przez kalkulator, ze względu na ich złożoność.

Rezultatem jest jeden z najbardziej precyzyjnych i realistycznych.

Ta metoda obliczania rzeczywistej mocy samochodu jest przez wielu uważana za najwygodniejszą, ponieważ właściciele samochodów muszą wykonać minimalny wysiłek - zmierzyć prędkość przyspieszenia do 100 km/h dla czystości eksperymentu i wprowadzić dodatkowe dane do automatycznego kalkulatora.

Inne typy silników

Nie jest tajemnicą, że silniki są używane nie tylko w samochodach, ale także w przemyśle, a nawet w prywatnych gospodarstwach domowych. silniki różnej wielkości można spotkać w fabrykach - napędzają one wały - jak również w urządzeniach domowych, takich jak automatyczne maszynki do mięsa.

Czasami trzeba też obliczyć rzeczywistą moc takich silników. Jak to zrobić, opisano poniżej.

Warto zwrócić uwagę, że obliczenia mocy dla silnika 3-fazowego można wykonać w następujący sposób

• P = M_{moment obrotowy} * n, gdzie M_{moment obrotowy} - jest momentem obrotowym, a n jest prędkością obrotową wału.

Silnik indukcyjny

Silnik asynchroniczny to urządzenie, którego cechą szczególną jest to, że częstotliwość obrotu pola magnetycznego wytwarzanego przez jego stojan jest zawsze większa od prędkości obrotowej jego wirnika.

Zasada działania maszyny asynchronicznej jest podobna do zasady działania transformatora. Prawa indukcji elektromagnetycznej (zmienny w czasie prąd w cewce obwodu indukuje w uzwojeniu prąd EMF) i Ampera (na przewodnik o danej długości, przez który płynie prąd, działa siła elektromagnetyczna, będąca w polu o określonej wartości indukcji).

silnik asynchroniczny składa się zazwyczaj ze stojana, wirnika, wału i łożyska. Stojan składa się z następujących głównych elementów: uzwojenie, rdzeń, obudowa. Wirnik składa się z rdzenia i uzwojenia.

Głównym zadaniem silnika indukcyjnego jest zamiana energii elektrycznej, która jest dostarczana do uzwojenia stojana, na energię mechaniczną, która może być usunięta z obracającego się wału.

Moc silnika asynchronicznego

W technicznej dziedzinie nauki wyróżnia się trzy rodzaje mocy:

• całkowity (oznaczany literą S);
• aktywny (oznaczony literą P);
• reaktywne (oznaczane literą Q).

całkowitą moc można przedstawić w postaci wektora, który ma część rzeczywistą i urojoną (pamiętajmy o dziale matematyki dotyczącym liczb zespolonych).

Część czynna to moc czynna, która jest wydatkowana na wykonanie użytecznej pracy, takiej jak obrót wału, a także wytwarzanie ciepła.

Część urojona wyrażona jest przez moc bierną, która bierze udział w tworzeniu strumienia magnetycznego (oznaczana przez F).

Jest to strumień magnetyczny, który leży u podstaw zasada działania maszyny asynchronicznej, silnika synchronicznego, maszyny prądu stałego i transformatora.

Moc bierna jest wykorzystywana do ładowania kondensatorów, tworzenia pola magnetycznego wokół dławików.

Moc czynna jest obliczana jako iloczyn prądu z napięciem przez współczynnik mocy:

• P = I * U * cosφ.

Moc bierna jest obliczana jako iloczyn prądu/napięcia podzielony przez współczynnik mocy przesunięty o 90°. W przeciwnym razie można napisać:

• Q = I * U * sinφ.

Wartość mocy całkowitej, jeśli pamiętamy, że można ją przedstawić w postaci wektora, można obliczyć za pomocą twierdzenia Pitagorasa jako pierwiastek z sumy kwadratów mocy czynnych i biernych:

• S = (P²+Q²)^1/2.

Jeśli obliczymy wzór na moc całkowitą w ogólnym zarysie, to okaże się, że S jest iloczynem prądu i napięcia:

• S = I * U.

Współczynnik mocy cosφ jest wartością liczbowo równą stosunkowi składowej czynnej do pełnej mocy. Aby znaleźć sinφ, znając cosφ, oblicz wartość φ w stopniach i znajdź jej sinus.

Jest to standardowe obliczenie mocy silnika na podstawie prądu i napięcia.

Obliczanie mocy 3-fazowej maszyny asynchronicznej

Aby obliczyć moc netto w uzwojeniu stojana silnika indukcyjnego 3-fazowego, należy pomnożyć napięcie fazowe przez prąd fazowy oraz przez współczynnik mocy i otrzymaną wartość mocy pomnożyć przez trzy (przez liczbę faz):

• P_stojana = 3 * U_ф * I_ф * cosφ.

Obliczanie mocy el. Współczynnik mocy cosφ jest wartością liczbową równą stosunkowi mocy składowej czynnej do mocy całkowitej silnika, czyli mocy usuwanej z wału silnika:

• P_wyjście = P_stojan - P_straty.

W silniku asynchronicznym występują następujące straty:

• elektryczne w uzwojeniu stojana;
• w stali rdzenia stojana;
• prąd elektryczny w uzwojeniu wirnika;
• mechaniczne;
• dodatek.

Aby obliczyć moc bierną silnika trójfazowego, należy zsumować trzy składowe tego typu mocy, tj

• moc bierna, zużywana na wytworzenie strumienia dyssypacyjnego uzwojenia stojana;
• moc bierną, która jest zużywana na wytworzenie strumieni rozproszenia w uzwojeniu wirnika;
• moc bierna wykorzystywana do wytworzenia strumienia głównego.

Moc bierna w silniku indukcyjnym zużywana jest głównie na wytworzenie zmiennego pola elektromagnetycznego, ale część mocy biernej zużywana jest również na wytworzenie strumienia stojana. Prądy błądzące osłabiają główny strumień magnetyczny i zmniejszają sprawność operacyjna silnik asynchroniczny.

obecna pojemność

Moc silnika asynchronicznego można obliczyć na podstawie następujących danych prądowych. Aby to zrobić, należy wykonać następujące czynności:

1. Doprowadzenie mocy do silnika.
2. Za pomocą amperomierza zmierz natężenie prądu w każdej cewce.
3. Obliczyć średni prąd z pomiarów w drugim kroku.
4. Pomnożyć średni prąd przez napięcie. Przeczytaj moc.

Moc zawsze można obliczyć jako prąd pomnożony przez napięcie. Na stronie Jest to ważne Wiedzieć, jakie wartości U i I przyjąć. W tym przypadku U jest napięciem zasilania i jest stałą, natomiast I może się zmieniać w zależności od tego, czy uzwojenie (stojan czy wirnik) mierzy prąd, dlatego należy wybrać wartość średnią.

Moc w zależności od wymiarów

Stojan ma wiele różnych elementów, jednym z nich jest rdzeń. Aby obliczyć pojemność silnika na podstawie wymiarów, należy wykonać następujące czynności

1. Zmierzyć długość i średnicę rdzenia.
2. Obliczyć stałą C, która posłuży do dalszych obliczeń. C = (π * D * n)/(120 * f), gdzie D to średnica rdzenia, n to prędkość obrotowa wału, f to częstotliwość napięcia (najczęściej jest to częstotliwość przemysłowa 50 Hz).
3. Obliczyć moc P, korzystając ze wzoru P = C * D² * l * n * 10^-6, gdzie C to stała obliczeniowa, D to średnica rdzenia, n to prędkość obrotowa wału, l to długość rdzenia.

Lepiej jest wykonać wszystkie pomiary i obliczenia jak najdokładniej, aby obliczenia mocy silnika napędowego były jak najbardziej zbliżone do rzeczywistości.

Moc w zależności od siły nacisku

Moc silnika asynchronicznego można również określić za pomocą wartości siły pociągowej. W tym celu należy zmierzyć promień rdzenia (im dokładniejszy tym lepszy), określić prędkość obrotową wału maszyny oraz użyć dynamometru do pomiaru siły ciągu silnika.

Wszystkie dane należy podstawić do następującego wzoru:

• P = 2*π * F * n * r, gdzie F to siła ciągu, n to prędkość obrotowa wału, r to promień rdzenia.

Niuanse silnika asynchronicznego

Wszystkie powyższe wzory stosowane do obliczania mocy silnika trójfazowego pozwalają wyciągnąć ważny wniosek, że silniki mogą być różnej wielkości, mieć różną prędkość obrotową, ale w efekcie końcowym mieć taką samą moc.

Umożliwia to projektantom tworzenie modeli silników, które mogą być wykorzystywane w szeroki wachlarz warunki.

Silnik prądu stałego

Silnik prądu stałego to maszyna, która przetwarza energię elektryczną pochodzącą z prądu stałego na energię mechaniczną. Jej zasada działania ma niewiele wspólnego z zasadą działania maszyny asynchronicznej.

Silnik prądu stałego składa się ze stojana, twornika i wspornika, a także szczotek kontaktowych i kolektora.

Komutator jest urządzeniem, które zamienia prąd zmienny na stały (i odwrotnie).

Aby obliczyć moc użyteczną takiej maszyny, służącej do wykonania jakiejś pracy, wystarczy pomnożyć wartość armatury przez prąd armatury:

• P = E_a * I_a.

Jak widać, obliczenie mocy silnika prądu stałego jest znacznie prostsze niż silnika asynchronicznego.