Электротяга бьет рекорды

Porsche бросил вызов ДВС. Их новый электрический Cayenne буквально "разорвал" трассу Шелсли Уолш — старейший автоподъем в мире. Пилот гоночной команды преодолел 914 метрам подъема в 16,7 % за 31,28 секунды. Это на 4 секунды быстрее любого внедорожника до него.

Первые 18,3 метра электрокар взял за 1,94 секунды — с ускорением болида. Секрет — в электротяге и системе Porsche Active Ride, которая удерживает кузов машины в виражах.
Помимо всего здесь проверили практичность внедорожника. Телеведущий прицепил к нему 2-тонный раритетный автомобиль. Увеличенную нагрузку Cayenne словно не заметил. Тяга осталась как у бензиновых версий — до 3,5 тонн.

Этот рекорд — не просто демонстрация скорости, а доказательство превосходства электромобилей в динамике и управляемости. В отличие от ДВС, где мощность нарастает постепенно, электродвигатель выдает максимальный крутящий момент с первых оборотов.

Но Porsche делает ставку не только на скорость. Испытание с буксировкой 2-тонного раритета показало, что электрокар не уступает и в практичности. Силовая электроника мгновенно адаптируется к нагрузке, а запас мощности гарантирует уверенное движение в любых условиях.

Хотя компания пока сохраняет ДВС и гибриды в своей линейке, рекордный заезд стал ярким аргументом в пользу электромобилей. Если даже тяжелый внедорожник способен обогнать легкие спортивные модели с ДВС, то переход на чистую электротягу — лишь вопрос времени.

Наблюдаем за миром технологий дальше...

Интересная техника и любопытные технологии в авторском канале "ТехноПричуды"

Умение быстро что-нибудь посчитать — это не только приятный навык, но и приносящий практическую пользу инструмент. В этом смысле было бы не плохо иметь способность быстро оценить мощность и крутящий момент ДВС в реальных дорожных ситуациях.

Надо сказать, что мощность двигателя невозможно измерить напрямую по причине непонимания природы столь загадочного и не изученного явления как энергия. Обычно измеряют более «реальный» параметр, а мощность рассчитывают как функцию от измеренного аргумента через известные соотношения. Крутящий момент — это более «реальный» параметр, и вот его уже вполне можно измерять разными способами, например на динамометрическом стенде. Вывести формулу соотношения мощности и крутящего момента не сложно. Для этого нужно вспомнить несколько формул из курса школьной физики. Если нет желания вникать в элементарную физику, можете пролистать дальнейшее изложение до конечного результата — формулы (8). Итак.

Мощность — это скорость преобразования энергии, или проще говоря, количество потраченной энергии за единицу времени:

P = E : t  (1)
где:  P — мощность в ваттах
E — энергия в джоулях
t — время в секундах

Энергия — это универсальный источник движения, определяемый произведением силы на длину поступательного пути:

E = F · L  (2)
где:  E — энергия в джоулях
F — сила в ньютонах
L — путь в метрах

Крутящий момент — это усилие, вызывающее вращение вокруг оси, или другими словами, произведение силы на радиус приложения этой силы:

M = F · R  (3)
где:  M — крутящий момент в ньютон·метрах
F — сила в ньютонах
R — радиус в метрах

А еще нам понадобится длина окружности:

2π·R  (4)

Начнем с момента, указанного в формуле (3). ДВС на выходном валу создает некоторое усилие (F), приложенное к радиусу (R), в результате чего точка приложения силы движется по окружности длиной 2πR. Значит, используя формулу (2), можем посчитать количество энергии, затраченной на один оборот вала:

E = (2π · R · F)  (5)

Двигатель вращает выходной вал с частотой (n) оборотов в минуту. Значит за все (n) оборотов потратится в (n) раз больше энергии:

E = (2π · R · F · n)  (6)

Из формулы (1) видно, что мощность рассчитывается в киловаттах и секундных интервалах, а не в ваттах и минутных. Учтем это в формуле:

P` = (2π · R · F · n) : (60 · 1000)  (7)

Помня, что R * F — это крутящий момент, мы готовы написать соотношение мощности и крутящего момента:

Pkv = (M · n) : 9549  (8)
где:  Pkv — мощность в киловаттах
M — крутящий момент в ньютон·метрах
n — обороты в минуту

Мощность ДВС часто характеризуют в лошадиных силах, а коэффициент пересчета киловатт в лошадиные силы в России принимают равным 1,36. Скорректируем константу с учетом этого коэффициента:

Php = Pkv · 1,36 = (M · n) : 7023  (9)
где:  Php — мощность в лошадиных силах
M — крутящий момент в ньютон·метрах
n — обороты в минуту

Здесь необходимо упомянуть об автомобильной отрасли США и Великобритании. Местные автопроизводители считают одну лошадиную силу как 746 Ватт, а крутящий момент измеряют в фунто-футах. В этой системе координат константа будет равна 5252. Особенностью константы в таком расчете является то, что она фактически указывает на точку пересечения мощности и крутящего момента. При частоте вращения вала 5252 оборота в минуту числовые значения крутящего момента (в фунто-футах) и мощности (в американских лошадиных силах) совпадают, а их кривые на графике пересекаются. Левее этой точки доминирует крутящий момент, а правее — мощность.

Мы вывели формулу соотношения Мощности, Крутящего момента и Оборотов ДВС. Теперь можно применить эти знания для расчета реальной ситуации на дороге. Вот пример такого расчета. Представим себе, что мы сидим в автомобиле общей массой 1,8 тонны. Автомобиль с равномерной скоростью взбирается вверх по горной дороге с наклоном 20°. ДВС надрывно гудит, а тахометр показывает устойчивые 2200 оборотов в минуту. Попробуем посчитать крутящий момент и мощность ДВС.

Из условий понятно, что мотору нужно преодолевать действие земной гравитации, стремящейся скатить автомобиль вниз по склону. Каково это гравитационное усилие? Оно пропорционально весу авто (1800кг), ускорению земной гравитации (9,8м/с2) и синусу угла наклона (20°):

1800 · 9,8 · SIN(20°) = 6033 Ньютона  (10)

Опустим пока потери на трение и посчитаем, какой крутящий момент должны развивать колеса радиусом 36 см, чтобы противостоять гравитационному усилию (6033Н):

0,36 · 6033 = 2172 Ньютон·метра  (11)

Между выходным валом ДВС и колёсами расположены несколько агрегатов. Нас интересует коробка передач с включенной второй передачей и главная передача в раздатке. Пусть их передаточные числа будут равняться соответственно 2,8 и 4. Тогда крутящий момент на валу ДВС составит:

2172 ∶ (2,8 · 4) = 194 Ньютон·метра  (12)

Зная крутящий момент на валу ДВС (194Нм), обороты двигателя (2200мин-1), и пользуясь формулой (9), посчитаем текущую мощность нашего ДВС:

(194 · 2200) ∶ 7023 = 61 лошадиная сила  (13)

Мы не учли потери на трение в узлах двигателя, трансмиссии и колес. Давайте оценим их в 10%:

194 · 110% = 213 Ньютон·метров  (14)

61 · 110% = 67 лошадиных сил  (15)

Если верить расчетным значениям, то у нас под капотом дизель, но это не точно. В качестве бонуса посчитаем скорость движения нашего авто на подъеме в горку. Нам понадобятся обороты двигателя (2200м-1), радиус колес (36см) и передаточные числа агрегатов трансмиссии (2,8) и (4):

(2200 · 2π · 0,36) ∶ (2,8 · 4) = 444 м/мин  (27 км/ч)  (16)

Благодарю вас, если дочитали до этого места. И последнее. Вопреки расхожему мнению, паспортная мощность двигателя не является технической характеристикой ДВС в том смысле, что не может рассматриваться как непосредственная характеристика силового агрегата. Но это тема для другой статьи.

В современной авиации одним из ключевых факторов комфорта и безопасности пассажиров и пилотов является снижение уровня шума двигателей. На взлете он может достигать 110-150 дБ, в то время как для человеческого уха комфортным считается 20-40 дБ. Излишний шум способен воздействовать не только на слуховой аппарат, но также на работу сердечно-сосудистой и нервной системы, вызывать головные боли и повышенную утомляемость. Для уменьшения такого шума в авиации используются специальные звукопоглощающие конструкции. Ученые Пермского Политеха модернизировали один из их элементов, изменив физику течения воздуха, что позволило повысить поглощение звука конкретной конструкции с 85% до 90-95% на частотах 400-500 Гц и высоких уровнях звукового давления.

Статья опубликована в журнале «Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение». Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-72-00037. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Современные турбореактивные двигатели становятся все более мощными, для чего их все чаще увеличивают в размерах. Однако больший диаметр ведет к повышению шума. Его основной источник — это вентилятор внутри двигателя, который из-за крупных габаритов генерирует звуковые волны преимущественно на низких частотах – ниже 500 Гц, в то время как комфортная слышимость для человеческого уха начинается выше 500 Гц. При длительном воздействии такой диапазон вреден для человека, поскольку приводит к болезням органов слуха, дыхания, нервной и сердечно-сосудистой системы.

Для борьбы с этим существуют различные инженерные решения. Например, на выходе двигателя устанавливают шумоглушащие сопла – это конусообразные или цилиндрические конструкции, которые уменьшают звук выхлопа за счет того, что изменяют направление потоков газов, выходящих из двигателя. Ранее ученые Пермского Политеха уже исследовали разные варианты этих сопел и их влияние на подавление звука. Однако они не уменьшают весь возникающий при работе самолета шум, поскольку устанавливаются снаружи и воздействуют только на реактивную струю, не влияя на сам вентилятор.

Для глушения звука внутри двигателя устанавливаются звукопоглощающие конструкции (ЗПК), которые представляют собой множество пустых ячеек-резонаторов, закрытых тонкими перфорированными листами. Каждая ячейка имеет одно, чаще несколько, отверстий, через которые внутрь попадают звуковые волны. Работает эта система следующим образом: звуковая волна через отверстия входит в резонатор, воздух в шейке (толщине перфорированного листа) начинает колебаться, и за счет трения о стенки энергия звука превращается в тепло. Так лишний шум глушится. Однако низкие частоты плохо поглощаются классическими ЗПК из-за ограничений по размерам и материалам.

Ученые Пермского Политеха нашли способ улучшить их работу, не увеличивая габариты ЗПК.

В России в настоящее время используются базовые резонаторные шейки, имеющие толщину перфорированного листа и гладкую внутреннюю поверхность. Исследователи же предложили удлинить шейку во внутренний объем резонатора и добавить на ее внутреннюю поверхность турбулизаторы – дополнительные неровные грани с выступами в виде ребер или гофр, которые помогают лучше поглощать возникающий шум. Эти элементы создают турбулентный поток, который, в отличие от плавного движения воздуха, обладает большим числом завихрений. Это значительно увеличивает трение и, соответственно, рассеивает больше звуковой энергии в тепло.

Ученые протестировали несколько моделей с разной степенью выраженности граней на поверхности шейки: без них, маломасштабные, среднемасштабные и крупномасштабные (изменение диаметров граней ≈ 0,6-0,8 мм). Сначала было проведено численное моделирование, затем – эксперименты на реальных образцах резонаторов диаметром 30 мм. Они были изготовлены методом 3D-печати из АБС-пластика с последующей доработкой проектной геометрии. Образцы тестировались в лаборатории ПНИПУ на интерферометре (высокоточный прибор для измерения акустических характеристик конструкций) с нормальным падением волн. В нем регистрировался коэффициент звукопоглощения при высоком уровне звукового давления – 150 дБ, что характерно для большинства реальных авиационных двигателей.

– Результаты показали, что лучше поглощают шум более крупные турбулизаторы с гранями в удлиненной шейке ≈ 0,6-0,8 мм. Также эффект можно усилить, увеличив количество шеек резонатора с одной до трех. Благодаря таким конструктивным решениям можно повысить звукопоглощение дополнительно на 5-7% в более широком диапазоне частот. То есть, если у обычной длинной и гладкой шейки на резонансной частоте этот показатель составляет 85%, то с использованием предложенной нами конструкции он будет доходить до 90-95% при высокой степени перфорации. В совокупности с другими методами это внесет существенный вклад в снижение авиационного шума, – объясняет Олег Кустов, доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы», ведущий сотрудник Лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа ЦАИ ПНИПУ.

В будущем ученые планируют продолжить исследования на более крупных моделях и в условиях скользящего потока, близкого к реальным условиям работы авиационного двигателя.

Исследование ученых Пермского Политеха поможет бороться с проблемой низкочастотного шума самолетов благодаря использованию особой конструкции турбулизаторов. Повышение эффективности звукопоглощающих конструкций позволит создавать более тихие и экономичные двигатели, что, в свою очередь, способствует устойчивому развитию гражданской авиации.