В чем измеряется тяга двигателя автомобиля

Стенд замера мощности двигателя

Что такое моторный стенд или стенд мощности?

Полноприводный моторный стенд CARTEC LPS 2810-4WD представляет собой роликовый стенд и компьютер со специализированным программным обеспечением. Это дорогостоящее профессиональное оборудование, которое позволяет измерять характеристики двигателей автомобилей с мощностью до 750 л.с. на одну ось. Таким образом, теоретически, мы можем измерить мощность двигателя полноприводного автомобиля до 1500 лошадиных сил с распределением крутящего момента 50/50.

Принцип работы стенда заключается в следующем: автомобиль закрепляется с помощью ремней, разгоняется до максимальных оборотов, при этом ролики, по которым едут колеса, оборудованы специальными тормозами и препятствуют разгону. После достижения максимальных оборотов тормоза отключаются, и автомобиль «катится» до полной остановки. Проводя постоянные измерения, компьютер учитывает потери трансмиссии и вычисляет характеристики двигателя. В результате мы получаем график зависимости мощности и момента двигателя от оборотов. Именно такие графики и публикуют в рекламных брошюрах автопроизводители.

Стоимость замеров*

*Выкладывайте фото своего автомобиля на нашем стенде в инстаграм, отмечайте наш аккаунт @bood.ru и получите скидку 30% на замер мощности на стенде!

Что это дает клиенту?

Стенд делает возможным замер основных характеристик двигателя в реальном времени на конкретном автомобиле. Все происходит непосредственно в нашем боксе. Всем желающим измерить характеристики своего автомобиля и улучшить динамические показатели с помощью чип-тюнинга, мы предлагаем следующую процедуру:

устанавливаем машину на стенд и считываем программу с блока управления двигателем (ЭБУ) специальным оборудованием

отправляем заводской софт нашим партнерам в A&A Automobiltechnik (Германия), а тем временем меряем машину на заводской программе

Таким образом мы подтверждаем заявленные результаты, а клиент получает документ о проделанной работе.

Для многих современных автомобилей у наших немецких партнеров есть отлаженные программы увеличения мощности и нет необходимости замерять каждый автомобиль. Но есть двигатели с «адаптированным для России» софтом или специфические для России автомобили. Для отладки таких машин не обойтись без моторного стенда. У немцев просто нет возможности получить такую машину на свой стенд.

У клиента такого автомобиля пропадает необходимость ездить на автомобиле для проверки программы. Моторный стенд позволяет оперативно отреагировать на возможные недостатки новой прошивки ЭБУ. При выявлении нюансов мы тут же их корректируем, обмениваясь с немцами электронной информацией. Иногда это происходит прямо в режиме видеоконференции.

Видео с замерами на нашем диностенде

Больше видео со стенда на нашем YouTube канале.

Что изображено на графике?

График замеров характеристик двигателя наглядно демонстрирует эффективность чип-тюнинга. Из него можно понять на каких оборотах двигатель имеет большую тягу и нет ли провалов в мощности. Обычно на графике изображены кривые мощности и момента – черным цветом заводские, красным – после тюнинга. Любое серьезное тюнинговое ателье имеет в своем портфеле подобные графики и с удовольствием демонстрирует их своим клиентам. Но очень часто в интернете выложены не реальные, а нарисованные графические представления ожидаемых результатов. Особенно это касается «тюнинг-боксов». На практике может оказаться совсем не так, как обещано в рекламе. Порой даже происходит занижение заводских параметров, несмотря на положительные субъективные ощущения.

Что такое СARTEC LPS 2810-4WD?

• Точно-сбалансированный полноприводный роликовый стенд. Возможность делать измерения как в режиме 2WD (передний или задний привод), так и в 4WD

• Пневматический подъемник, блокиратор роликов

• Внешний блок ролика с электронным управлением вихретокового тормоза

• Электронный контроллер управления стендом

• Изменяемое расстояние между роликами. Колесная база от 2200 мм до 3200 мм.

• Измерение силы: тензометрические (тип ячейки загрузки оси).

• Дополнительные крепления ремней для безопасности автомобиля во время теста (максимум 8 точек фиксации).

• Максимальная мощность на 1 ось 750 л.с. (Общая — 1500 л.с. для полного привода).

• Максимально развиваемая скорость на стенде 300 км/ч

• Максимальная нагрузка на ось около 3.5 тонн

Основные показатели двигателя

Сгорание топлива происходит внутри ДВС, в специальной камере цилиндра. Это приводит в движение поршень, который, совершая циклические возвратно-поступательные движения, проворачивает коленчатый вал. Таков упрощенный принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Основные характеристики ДВС можно оценить тремя основными показателями:

• мощность двигателя;
• крутящий момент;
• расход топлива.

Основные показатели ДВС

Рассмотрим более подробно каждый из этих показателей.

Термодинамика

Новая физическая идея — использование детонационного горения вместо обычного, дефлаграционного — позволяет радикально улучшить характеристики реактивного двигателя.

Говоря о космических программах, мы в первую очередь думаем о мощных ракетах, которые выводят на орбиту космические корабли. Сердце ракеты-носителя — ее двигатели, создающие реактивную тягу. Ракетный двигатель — это сложнейшее энергопреобразующее устройство, во многом напоминающее живой организм со своим характером и манерами поведения, которое создается поколениями ученых и инженеров. Поэтому изменить что-то в работающей машине практически невозможно: ракетчики говорят: «Не мешай машине работать. » Такой консерватизм, хотя он многократно оправдан практикой космических пусков, все же тормозит ракетно-космическое двигателестроение — одну из самых наукоемких областей деятельности человека. Необходимость изменений назрела уже давно: для решения целого ряда задач нужны существенно более энергоэффективные двигатели, чем те, которые эксплуатируются сегодня и которые по своему совершенству достигли предела.

Нужны новые идеи, новые физические принципы. Ниже речь пойдет именно о такой идее и о ее воплощении в демонстрационном образце ракетного двигателя нового типа.

Дефлаграция и детонация

В большинстве существующих ракетных двигателей химическая энергия горючего преобразуется в тепло и механическую работу за счет медленного (дозвукового) горения — дефлаграции — при практически постоянном давлении: P=const . Однако, кроме дефлаграции, известен и другой режим горения — детонация. При детонации химическая реакция окисления горючего протекает в режиме самовоспламенения при высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Если при дефлаграции углеводородного горючего мощность тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции составляет

1 МВт/м2, то мощность тепловыделения в детонационном фронте на три-четыре порядка выше и может достигать 10000 МВт/м2 (выше мощности излучения с поверхности Солнца!). Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией: скорость продуктов детонации в

20-25 раз выше скорости продуктов медленного горения. Возникают вопросы: нельзя ли в ракетном двигателе вместо дефлаграции использовать детонацию и приведет ли замена режима горения к повышению энергоэффективности двигателя?

Приведем простой пример, который иллюстрирует преимущества детонационного горения в ракетном двигателе над дефлаграционным. Рассмотрим три одинаковых камеры сгорания (КС) в виде трубы с одним закрытым и другим открытым концом, которые заполнены одинаковой горючей смесью при одинаковых условиях и поставлены закрытым концом вертикально на тягоизмерительные весы (рис. 1). Энергию зажигания будем считать пренебрежимо малой по сравнению с химической энергией горючего в трубе.

Рис. 1. Энергоэффективность детонационного двигателя

Пусть в первой трубе горючая смесь зажигается одним источником, например, автомобильной свечой, расположенной у закрытого конца. После зажигания вверх по трубе побежит медленное пламя, видимая скорость которого обычно не превышает 10 м/c, то есть много меньше скорости звука (около 340 м/с). Это означает, что давление в трубе P будет очень мало отличаться от атмосферного Pa , и показания весов практически не изменятся. Другими словами, такое (дефлаграционное) сжигание смеси фактически не приводит к появлению избыточного давления на закрытом конце трубы, и, следовательно, дополнительной силы, действующей на весы. В таких случаях говорят, что полезная работа цикла с P = Pa = const равна нулю и, следовательно, равен нулю термодинамический коэффициент полезного действия (КПД). Именно поэтому в существующих силовых установках горение организуется не при атмосферном, а при повышенном давлении P Pa , получаемом с помощью турбонасосов. В современных ракетных двигателях среднее давление в КС достигает 200-300 атм.

Попытаемся изменить ситуацию, установив во второй трубе множество источников зажигания, которые одновременно зажигают горючую смесь по всему объему. В этом случае давление в трубе P быстро возрастет, как правило, в семь-десять раз, и показания весов изменятся: на закрытый конец трубы в течение некоторого времени — времени истечения продуктов горения в атмосферу — будет действовать достаточно большая сила, которая способна совершить большую работу. Что же изменилось? Изменилась организация процесса горения в КС: вместо горения при постоянном давлении P = const мы организовали горение при постоянном объеме V = const .

Теперь вспомним о возможности организации детонационного горения нашей смеси и в третьей трубе вместо множества распределенных слабых источников зажигания установим, как и в первой трубе, один источник зажигания у закрытого конца трубы, но не слабый, а сильный — такой, который приведет к возникновению не пламени, а детонационной волны. Возникнув, детонационная волна побежит вверх по трубе с высокой сверхзвуковой скоростью (около 2000 м/с), так что вся смесь в трубе сгорит очень быстро, и давление в среднем повысится как при постоянном объеме — в семь-десять раз. При более детальном рассмотрении оказывается, что работа, совершенная в цикле с детонационным горением, будет даже выше, чем в цикле V = const .

Таким образом, при прочих равных условиях детонационное сгорание горючей смеси в КС позволяет получить максимальную полезную работу по сравнению с дефлаграционным горением при P = const и V = const , то есть позволяет получить максимальный термодинамический КПД . Если вместо существующих ракетных двигателей с дефлаграционным горением использовать двигатели с детонационным горением, то такие двигатели могли бы дать чрезвычайно большие выгоды. Этот результат был впервые получен нашим великим соотечественником академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем еще в 1940 году, однако до сих пор не нашел практического применения. Основная причина этому — сложность организации управляемого детонационного горения штатных ракетных топлив.

Мощность тепловыделения в детонационном фронте на 3-4 порядка выше, чем во фронте обычного дефлаграционного горения и может превышать мощность излучения с поверхности Солнца. Скорость продуктов детонации в 20-25 раз выше скорости продуктов медленного горения

Демонстрационный образец ДРД, установленный на испытательном стенде

Фото: Сергей Фролов

Импульсный и непрерывный режимы

До настоящего времени предложено множество схем организации управляемого детонационного горения, включая схемы с импульсно-детонационным и с непрерывно-детонационным рабочим процессом. Импульсно-детонационный рабочий процесс основан на циклическом заполнении КС горючей смесью с последующим зажиганием, распространением детонации и истечением продуктов в окружающее пространство (как в третьей трубе в рассмотренном выше примере). Непрерывно-детонационный рабочий процесс основан на непрерывной подаче горючей смеси в КС и ее непрерывном сгорании в одной или нескольких детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек потока.

Концепция КС с непрерывной детонацией предложена в 1959 году академиком Богданом Вячеславовичем Войцеховским и долгое время изучалась в Институте гидродинамики СО РАН. Простейшая непрерывно-детонационная КС представляет собой кольцевой канал, образованный стенками двух коаксиальных цилиндров (рис. 2). Если на днище кольцевого канала поместить смесительную головку, а другой конец канала оборудовать реактивным соплом, то получится проточный кольцевой реактивный двигатель. Детонационное горение в такой КС можно организовать, сжигая горючую смесь, подаваемую через смесительную головку, в детонационной волне, непрерывно циркулирующей над днищем. При этом в детонационной волне будет сгорать горючая смесь, вновь поступившая в КС за время одного оборота волны по окружности кольцевого канала. К другим достоинствам таких КС относят простоту конструкции, однократное зажигание, квазистационарное истечение продуктов детонации, высокую частоту циклов (килогерцы), малый продольный размер, низкий уровень эмиссии вредных веществ, низкий уровень шума и вибраций.

Заданный удельный импульс в детонационном ракетном двигателе достигается при значительно меньшем давлении, чем в традиционном жидкостном ракетном двигателе. Это позволит в перспективе кардинально изменить массогабаритные характеристики ракетных двигателей

Рис. 2. Схема детонационного ракетного двигателя

В рамках проекта Минобрнауки создан демонстрационный образец непрерывно-детонационного ракетного двигателя (ДРД) с КС диаметром 100 мм и шириной кольцевого канала 5 мм, который испытан при работе на топливных парах водород—кислород, сжиженный природный газ—кислород и пропан-бутан—кислород. Огневые испытания ДРД проводились на специально разработанном испытательном стенде. Длительность каждого огневого испытания — не более 2 с. За это время с помощью специальной диагностической аппаратуры регистрировались десятки тысяч оборотов детонационных волн в кольцевом канале КС. При работе ДРД на топливной паре водород—кислород впервые в мире экспериментально доказано, что термодинамический цикл с детонационным горением (цикл Зельдовича) на 7-8% эффективнее, чем термодинамический цикл с обычным горением при прочих равных условиях.

В рамках проекта создана уникальная, не имеющая мировых аналогов вычислительная технология, предназначенная для полномасштабного моделирования рабочего процесса в ДРД. Эта технология фактически позволяет проектировать двигатели нового типа. При сравнении результатов расчетов с измерениями оказалось, что расчет точно прогнозирует количество детонационных волн, циркулирующих в тангенциальном направлении в кольцевой КС ДРД заданной конструкции (четыре, три или одну волну, рис. 3). Расчет с приемлемой точностью предсказывает и рабочую частоту процесса, то есть дает значения скорости детонации, близкие к измеренным, и тягу, фактически развиваемую ДРД. Кроме того, расчет правильно предсказывает тенденции изменения параметров рабочего процесса при повышении расхода горючей смеси в ДРД заданной конструкции — как и в эксперименте, количество детонационных волн, частота вращения детонации и тяга при этом увеличиваются.

Рис. 3. Квазистационарные расчетные поля давления (а, б) и температуры (в) в условиях трех экспериментов (слева направо). Как и в экспериментах, в расчетах получены режимы с четырьмя, тремя и одной детонационными волнами

Основной показатель энергоэффективности ракетного двигателя — удельный импульс тяги, равный отношению тяги, развиваемой двигателем, к весовому секундному расходу горючей смеси. Удельный импульс измеряется в секундах (с). Зависимость удельного импульса тяги ДРД от среднего давления в КС, полученная в ходе огневых испытаний двигателя нового типа, такова, что удельный импульс увеличивается с ростом среднего давления в КС. Основной целевой показатель проекта — удельный импульс тяги 270 с в условиях на уровне моря — достигнут в огневых испытаниях при среднем давлении в КС, равном 32 атм. Измеренная тяга ДРД при этом превысила 3 кН.

При сравнении удельных характеристик ДРД с удельными характеристиками в традиционных жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) оказывается, что заданный удельный импульс в ДРД достигается при значительно меньшем среднем давлении, чем в ЖРД. Так, в ДРД удельный импульс в 260 с достигается при давлении в КС всего 24 атм, тогда как удельный импульс 263,3 с в известном отечественном двигателе РД-107А достигается при давлении в КС 61,2 атм, которое в 2,5 раза выше. Отметим, что двигатель РД-107А работает на топливной паре керосин—кислород и используется в первой ступени ракеты-носителя «Союз-ФГ». Такое значительное снижение среднего давления в ДРД позволит в перспективе кардинально изменить массогабаритные характеристики ракетных двигателей и снизить требования к турбонасосным агрегатам.

Вот и новая идея, и новые физические принципы.

Один из результатов проекта — разработанное техническое задание на проведение опытно-конструкторской работы (ОКР) по созданию опытного образца ДРД. Основная проблема, которую планируется решить в рамках ОКР,— обеспечить непрерывную работу ДРД в течение длительного времени (десятки минут). Для этого потребуется разработать эффективную систему охлаждения стенок двигателя.

Ввиду своего прорывного характера задача создания практического ДРД, несомненно, должна стать одной из приоритетных задач отечественного космического двигателестроения.

Сергей Фролов, доктор физико-математических наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор НИЯУ-МИФИ

Газ вместо керосина

Кадр видеосъемки огневых испытаний ДРД

Фото: Сергей Фролов

В 2014-2016 годах Министерством образования и науки РФ поддержан проект «Разработка технологий использования сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения и создание стендового демонстрационного образца ракетного двигателя». Проект предусматривает создание демонстрационного образца непрерывно-детонационного ракетного двигателя (ДРД), работающего на топливной паре «сжиженный природный газ (СПГ)—кислород». Исполнитель проекта — Центр импульсно-детонационного горения Института химической физики РАН. Индустриальный партнер проекта — Тураевское машиностроительное конструкторское бюро «Союз». В заявке на проект целесообразность использования в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) непрерывно-детонационного горения объяснялась более высоким термодинамическим КПД по сравнению с традиционным циклом, использующим медленное горение, а целесообразность использования СПГ объяснялась целым рядом преимуществ по сравнению с керосином: повышенным удельным импульсом тяги, доступностью и дешевизной, существенно меньшим сажеобразованием при горении и более высокими экологическими характеристиками. Теоретически замена керосина на СПГ в традиционном ЖРД сулит повышение удельного импульса на 3-4%, а переход от традиционного ЖРД к ДРД — на 13-15%.

PDF-версия

• 26
• 27
• 28
• 29

Кто кого?

Мощность двигателя — первое, на что по традиции мы обращаем внимание. Чем больше лошадиных сил под капотом, тем быстрее поедем — так нам кажется. Конечно, лошадиные силы важны, но если нас интересует динамика разгона, то надо признать, что крутящий момент важнее мощности. Потому что:

— хороший подхват на «низах» дает более эффективное ускорение;

— от величины крутящего момента напрямую зависит способность автомобиля уверенно преодолевать подъемы;

— автомобили с более мощными, но обладающими хиленьким крутящим моментом двигателями, уступают в разгонной динамике машинам с высокой тягой.

Данная диаграмма показывает, что мы имеем дело с очень тяговитым мотором, который выходит на пик крутящего момента уже при 1500 об/мин (кривая момента нарисована синим). Максимальное значение тяги в 320 Н.м поддерживается вплоть до 4000 оборотов, после чего начинается ее неизменное снижение. Между прочим, очень хороший результат, потому что чем раньше наступает максимум крутящего момента и чем позже пик мощности (красная кривая), тем шире диапазон возможностей силового агрегата. От количества оборотов также многое зависит: чем они выше, тем большую мощность можно снять.

В известной степени получается, что крутящий момент — важнейшая качественная характеристика двигателя. Чем же тогда замечательны эти лошадиные силы? Ну, хотя бы тем, что от мощности напрямую зависит максимальная скорость машины, к чему крутящий момент имеет меньше всего отношения.

Фото и диаграмма с интернет-ресурсов

9. Mercury Comet Cyclone GT/GTA, 1966

В 1966 году принадлежащая концерну Ford марка Mercury начала производство самой мощной версии своего двухдверного хардтопа Comet, построенной на базе Ford Fairlane, названной Cyclone GT (или Cyclone GTA — с трехступенчатой автоматической трансмиссией). 6,4-литровый двигатель развивал мощность в 355 л.с., что давало возможность разгоняться до сотни за 6,3 секунды.

Несмотря на то что Cyclone стал официальным пейс-каром легендарной гонки Indianapolis 500 1966-го, автомобиль не нашел признания среди американских автолюбителей, которые предпочли ему Pontiac GTO, Chevy Chevelle SS, Dodge Coronet или даже Plymouth Belvedere. Безусловно, эта модель не поражает воображение скоростными характеристиками, зато приятно радует глаз своим дизайном, который во многом стал классикой американского масл-кара.

Спецификация

КОЛЕСНАЯ ФОРМУЛА
4×2, 6×2, 6×2*4

РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ОСЯМИ
4350 – 6350 мм

ВИДЫ КАБИН
P, L

Трансмиссия, аккумуляторы и зарядка

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DC09 — 9-литровый рядный 5-цилиндровый двигатель
От 280 до 360 л. с.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Электрическая машина с постоянными магнитами и охлаждением распылением масла.

ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
90 кВ*ч (установленная)

ЗАРЯДКА
2 подключения для зарядки типа CCS до 95 кВт/145 А пост. тока

Полная масса
Не более 29 тонн

ГИБКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ — совмещает преимущества тихой работы без токсичных выбросов для городских перевозок и транспортных целей с гибкостью и большим запасом хода грузового автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Возможно, сейчас это самый перспективный способ перевода вашего парка на электрическую тягу.

РАСШИРЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ — все больше городов вводят жесткие правила по уровню токсичных выбросов и шумов. Гибридный грузовой автомобиль с зарядкой от сети позволяет не только продолжить обычную работу, но и расширить доставку на ночное время с меньшей интенсивностью движения и более свободными парковками, повышая эффективность транспорта.

БЫСТРАЯ ЗАРЯДКА — наша гибридная трансмиссия обеспечивает запас хода до 60 км на электрической тяге с регенерацией и внешней зарядкой. За 35 минут аккумуляторы заряжаются до 80% емкости, поэтому значительная часть городских развозных маршрутов могут выполняться полностью на электрической тяге за счет промежуточных подзарядок во время погрузки и разгрузки.

Задание. На автомобиль имеющий массу 1 т при его движении по горизонтальной поверхности, действует сила трения, которая равна $mu$=0,1 от силы тяжести. Какой будет сила тяги, если автомобиль движется с ускорением 2 м/с?

Решение. Сделаем рисунок.

В качестве основы для решения задачи используем второй закон Ньютона:

Спроектируем уравнение (1.1) на оси X и Y:

По условию задачи:

Подставим правую часть выражения (1.4) вместо силы трения в (1.2), получим:

$F_=m a+mu cdot m g$

Переведем массу в систему СИ m=1т=10 3 кг, проведем вычисления:

Ответ. F_T=2,98 кН

Формула силы тяги не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Задание. На гладкой горизонтальной поверхности лежит доска массой M. На доске находится тело массы m. Коэффициент трения тела о доску равен $mu$ . К доске приложена сила горизонтальная сила тяги, которая зависит от времени как: F=At (где A=const). В какой момент времени доска начнет выскальзывать из-под тела?

Решение. Сделаем рисунок.

Для решения задачи нам потребуются проекции сил на осиX и Y, которые отличны от нуля. Для тела массы m:

$ begin X: m a_<1>=F_(2.1) \ Y: m g=N(2.2) \ F_=mu N=mu m g rightarrow m a_<1>=mu m g rightarrow a_<1>=mu g(2.3) end $

Для тела массы M:

$M a_<2>=F-F_rightarrow M a_<2>=A t-F_rightarrow a_<2>=frac>(2.2)$

Обозначим момент времени, в который доска начнет выскальзывать из-под тела t₀, тогда

Ответ. $t_<0>=frac mu g$