Приглашаю любителей физики и автомобилистов к обсуждению "мощности"

Закончил наброски к главе 9 "Золотое правило механики". 

Весь черновик главы 9 можно скачать по ссылке

https://www.academia.edu/attac...

Добавьте описание

Вот концовка:

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Автомобиль разгоняется или движется равномерно по той простой причине, что двигатель автомобиля создаёт крутящий момент, который преобразуется в движущую силу.

Если эта движущая сила больше, чем все силы сопротивления движению, то автомобиль движется с ускорением. При равномерном движении автомобиля движущая сила компенсирует все силы сопротивления движению.

Предвижу множество замечаний в свой адрес – автор, это проходят еще в 8-ом классе, это всем и каждому прекрасно известно, перестань заниматься графоманией. Однако, общаясь с любителями физики на самый разных площадках в Интернете, я с огромным для себя удивлением обнаружил, что эти прописные истины, суть трёх законов Ньютона не доходит до мозгов очень многих любителей и даже «профессионалов» физики. Например, некоторые граждане с высшим образованием убеждали меня в том, что на самом деле автомобиль движет сила трения, потому что она направлена в сторону движения автомобиля. Другие требовали, чтобы я срочно изобразил на своих рисунках силу инерции, невзирая на то, что никаких «сил инерции» в природе не существует.

Честно говоря, я был даже слегка шокирован количеством остолопов, не понимающим основ механики – трёх законов Ньютона.

2. Не стоит безоговорочно верить рекламе автопроизводителей. Лучше верить физике, прежде всего – трём законам Ньютона.

3. При теоретических расчётах ускорений и скорости движения автомобиля мы ни разу не использовали такую важную характеристику двигателя автомобиля как «мощность», а обошлись исключительно величинами крутящего момента, который и превращается в движущую силу.

4. У ракетных реактивных двигателей вообще отсутствует такая «важная» характеристика как «мощность». Ракетчики используют лишь «тягу» - как основную силовую характеристику реактивного двигателя и «удельный импульс» – как характеристику эффективности двигателя, как реальный КПД, коэффициент полезного действия.

5. При увеличении скорости движения автомобиля крутящий момент, создаваемый двигателем, проходя через КПП и главную передачу, и передаваемый на ведущие колёса, существенно уменьшается – в полном соответствии с «золотым правилом механики». Другими словами – чем выше скорость движения, тем для ДВС сложнее создать движущую силу необходимой величины для ускорения автомобиля или поддержания равномерного движения.

А вот реактивные двигатели такой проблемы не имеют. Реактивные двигатели создают движущую силу (тягу) одной и той же величины вне зависимости от скорости движения той машины или ракеты, на которую они установлены.

6. Графики крутящих моментов, создаваемых бензиновыми бюджетными автомобильными двигателями внутреннего сгорания, обычно имеют пик при 3500-4000 оборотах. После чего величина крутящего момента начинает падать. То есть – расход топлива увеличивается, а крутящий момент и, соответственно, движущая сила автомобиля начинают уменьшаться.

Отсюда простая практическая рекомендация – не надо гнаться за высокими оборотами двигателей, в надежде обогнать двигатели, устанавливаемые на болиды «Формулы-1» с тем, чтобы из выхлопных труб вырывалось пламя.

Если из выхлопной трубы вырывается пламя, это означает только одно – топливо расходуется крайне неэффективно.

Это относится не только к ДВС.

Полагаю, что ракетчикам, разработчикам ракетных реактивных двигателей, стоит серьёзно призадуматься – над тем, что за ракетой тянется столб огня высотой с саму ракету.

То, что керосин и кислород догорают ВНЕ камеры сгорания двигателя – это не очень хороший показатель эффективности самих двигателей.

ДАЛЬНЕЙШИЕ РАЗМЫШЛЕНИЯ ВСЛУХ

(не для книги)

У меня складывается впечатление, что многие автопроизводители начисто подзабыли три закона Ньютона в погоне за мифической «мощностью», которая, никак не потребовалась в приведенных выше простейших расчётах ускорения и равномерно движения автомобилей, той самой мифической «мощности», которую настоящие физики XXI века, ракетостроители, полностью исключили из своих расчётов.

Давайте включим логику.

Что движет автомобиль вперед?

- Крутящий момент, передаваемый на колёса.

Почему иногда из выхлопной трубы на больших оборотах выбивается пламя?

- Потому что рабочая смесь не успевает сгореть в цилиндре, несмотря на установленное опережение зажигания.

Почему максимум крутящего момента у бюджетных бензиновых ДВС приходится на 3500…4000 оборотов в минуту и после начинает существенно падать?

- Потому что при повышении оборотов рабочая смесь не успевает сгореть в цилиндре, несмотря на установленное опережение зажигания.

И так далее.

Насколько я понимаю, в СССР никогда не было своей школы двигателестроения. А теперь её нет и подавно. Как писал в «Generation П» Виктор Пелевин: «Все потому, что мы у них на пансионе. Их фильмы смотрим, на их тачках ездим и даже хавку ихнюю едим.» Мы всегда следовали в русле «европейских автомобильных школ». Уповая на то, что «цивилизованная и просвещенная, автомобилизированная и механизированная Европа не может ошибаться». И в подавляющем большинстве просто копировали европейский и американский опыт автомобилестроения и двигателестроения.

Первый относительно массовый легковой советский автомобиль – Москвич-400 – это скопипащенный Opel Kadett K36, который выпускался в 1937-1940 годах в Германии.

Долгоиграющие «Жигули»-классика, который выпускался в РФ аж по 2014 год – это доработанная продукция итальянцев, лучший «Автомобиль года» за 1967 год – Fiat 124. (Повод заняться нумерологией:124 – 2014)

А как же законы физики, законы Ньютона?

Почему бы не попробовать разработать что-то своё, в соответствии с законами физики? Почему бы не проверить на практике самые простые решения, ем более что почти все «законодатели автомобильных мод» свернули свои производства в РФ. И никогда не высказывали никакого желания делиться технологическими и производственными секретами с Россией. Помните попытку Сбербанка прикупить в 2009 году Opel?

Почему бы нам не сосредоточиться на увеличении крутящего момента – в полном соответствии с законами физики. В современных легковых автомобилях уже за правило принято 4-х кратное увеличение величины крутящего момента за счёт главной передачи (соответственно, и 4-х кратное уменьшение оборотов – «золотое правило механики» в действии).

Но опыт европейского и американского автомобилестроения не стоит сбрасывать со счетов. Его надо изучать и делать правильные выводы. Начну с того, что диаметр поршня в Z18XER – 80,5 мм, а ход – целых 88,2 мм.

Если увеличить диаметр поршня до 100 мм, получаем более чем полуторакратное увеличение площади поршня и более чем полуторакратное увеличение силы, действующей на поршень. А вот ход поршня желательно бы увеличить посущественнее, этак до 110, или даже до 120 мм, чтобы топливо сгорало в цилиндрах целиком и полностью, прежде чем откроются выпускные клапаны – и без всяких опережений зажигания.

Из ожидаемых «плюсов» такого решения (навскидку):

– Уменьшение «удельной» силы трения в цилиндрах – еще во времена Ньюкомена и «отца гражданской инженерии» Джона Смитона знали, что при увеличении диаметра поршня периметр цилиндра, а, значит, и сила трения между цилиндром и поршнем, увеличивается меньше.

– Обеспечение полного сгорания рабочей смеси в цилиндрах – более эффективное использование топлива, увеличение сроков эксплуатации глушителей.

– Уменьшение числа оборотов двигателя – увеличение сроков эксплуатации двигателей.

– Уменьшение передаточного числа главной передачи – а, как известно инженерам, чем меньше передаточное число, тем меньше и потери в трансмиссии.

Из «минусов»

– Существенное увеличение массы и габаритов двигателя (и стоимости?). Возможно, придётся класть двигатель «набок» и полностью пересматривать систему смазки.

– Необходимо существенно усиливать коробку переключения передач и сцепление – крутящий момент, передаваемый КПП, будет примерно в 2 раза больше.

Полагаю, многие автомобилисты тут же начнут меня высмеивать – тоже мне, «гений». Тупо предложил двигатели от грузовиков ставить на легковушки. Не совсем так. Дело в том, что действительно уже существуют двигатели с похожими характеристиками – например, те, что устанавливали и устанавливают на так называемые «коммерческие автомобили» – на «Газели» и «Соболи».

Но я реально не понимаю, почему подавляющее большинство двигателей создаются в той парадигме, что ход поршня ДАЖЕ МЕНЬШЕ, чем диаметр поршня. У Z18XER – больше.

Вот смотрим – довольно «свежий» двигатель EvoTech 2.7 от группы ГАЗ, разработан совместно с корейцами. Реклама от группы ГАЗ: «лучшая цена и самая низкая стоимость владения в классе». Но что важно – «увеличенный крутящий момент» – 220 Нм при 2350 оборотах. «Крутящий момент двигателя вырос на широком диапазоне рабочих оборотов, что позволило обеспечить оптимальные для грузового автомобиля тягово-динамические характеристики». Я так понимаю, что «увеличенный крутящий момент» был получен исключительно за счёт использования микропроцессорной технологии впрыска и зажигания. Но вот как-то 220 Нм при 2350 оборотах не особо впечатляют по сравнению с 170 Нм у Z18XER при 3800-ах. Хотя…

Читаю характеристики дальше. Расход топлива 9,8/12,1 литр на 100 км при движении со скоростью 60/80 км/час. Интересно, это для полностью гружёной или же для пустой «Газели»? С её маленькими колёсиками, а значит, и с увеличенным моментом сопротивления качению. Мне интересно, сколько ньютонометров крутящего момента выдаёт двигатель при этих скоростях?

Довелось мне как поездить на Volvo C30 с 1,6 литровым двигателем и МКПП. Самая дальняя поездка – из Питера в Ярославль, там по области и обратно. Пожалуй, это одна из лучших, удобных и комфортных машин, на которых мне довелось ездить. Недостатки – перестала выпускаться в 2013 году и «пузотёрка». Клиренс – 135 мм. Всего. Явно не для российской деревни в средней полосе с глубокими залитыми мутной водой ямами на основной дороге. Так вот, мощность двигателя была заявлена как 99 л.с. и поэтому моя Volvo C30 попадала в самую низкую налоговую нишу в РФ. Что вызывало у бывших хозяев когнитивный диссонанс – как, мощность двигателя – и не трёхзначное число? Да еще и на механике? Какой кошмар. НО!!!

Эти 99 л.с. выдавали «на гора» 150 Нм крутящего момента при тех же самых 4000 оборотах (Opel Astra – 170 Нм при 3800), что с учетом массы в 1200 кг (против 1500 у Астры) делало её даже более резвой, чем множество окружающих автомобилей с трехзначными показателями «мощности». И колёса у С30 стояли нормального размера 205/55 R16. Колёсные арки поднимались чуть ли не выше капота. То есть момент сопротивления качению и аэродинамическое сопротивление были снижены до минимума.

Я к чему это говорю. Обладая даже меньшим литражом двигателя, существенно меньшей паспортной «мощностью», но при этом сопоставимым с Астрой крутящим моментом, С30 превосходно справлялась со всеми поставленными перед ней задачами.

В те же годы мне пришлось совершить турне Питер-Москва на старом, принадлежащем фирме, в которой я работаю, «Соболе» – полупассажирском, полугрузовом. Грузовой отсек (сзади) был загружен весьма дорогостоящим тяжёлым оборудованием, пассажирский – тоже оборудованием и документацией, но полегче. Короче, с самых первых минут этого турне «Соболь» вышел на глиссирование – то есть передние колёса лишь слегка касались асфальта и поэтому поворот он совершал лишь секунд через 15-20 после того, как я полностью выкручивал руль в нужную сторону. Тогда, сравнивая «Соболь» и С30, я полностью осознал, что означает словосочетание «прекрасная управляемость».

Но вернёмся к двигателям, которые могли бы подойти для легковых автомобилей, но устанавливаются сейчас на коммерческие «Газели» и «Соболи» (хотя прообразы этих моторов устанавливались и на Волги, 21-е и 24-е и на УАЗики).

Напомню, что у опелевского мотора Z18XER диаметр поршня – 80,5 мм, ход – целых 88,2 мм.

Так вот, у EvoTech 2.7 диаметр цилиндра / ход поршня – 96,5 мм / 92 мм.

Смотрим старенький ЗМЗ-405 Заволжского моторного завода (2000 год). Диаметр цилиндра / ход поршня – 95,5 мм / 86 мм. Максимальный крутящий момент – 214 Нм.

Ульяновский УМЗ-4216. Диаметр цилиндра / ход поршня – 100 мм / 92 мм. Максимальный крутящий момент – 235,7 Нм (Полагаю, это не потому что при измерении крутящего момента использовался стенд с такой потрясающей точностью. Я так понял, это просто перевод полученных в результате испытаний и потом округлённых до целого числа и занесенных в паспорт двигателя 24,0 кгс в новомодные ньютонометры.)

То есть тенденция у всех этих «коммерческих» моторов такова: ход поршня меньше, чем диаметр цилиндра. А интуиция мне подсказывает, что должно быть наоборот. Возможно, Z18XER имеет то преимущество, что у него по 4 клапана на каждый цилиндр – то есть и «заглатывает» рабочую смесь и выпускает отработанную он с меньшими потерями.

Разумное увеличение хода поршня увеличивает его литраж – то есть двигатель будет каждый раз «заглатывать» больше рабочей смеси, чем прежде (боже, это же перерасход топлива!!!), но при этом число оборотов сократится, а вот крутящий момент – за счёт более качественного сгорания рабочей смеси и за счёт увеличенного плеча рычага коленвала – увеличится.

Полагаю, таким образом можно будет добиться существенного увеличения крутящего момента (и движущей силы) при более низких оборотах двигателя и более экономного расхода топлива.

P.S. Готов к любому серьёзному обсуждению затронутой темы.

Приветствую перепосты этой статьи.

Если кто готов поделиться со мной какими-то экспериментальными данными, с удовольствием