Введение
Единица мощности с различными значениями
Лошадиная сила (hp) – это единица измерения мощности, или скорости выполнения работы, обычно используемая для оценки мощности двигателей. Существует множество различных стандартов и типов лошадиных сил. Два распространенных определения, используемых сегодня, – это имперская лошадиная сила, равная примерно 745,7 ватт, и метрическая лошадиная сила, составляющая около 735,5 ватт. Термин был введен в конце XVIII века шотландским инженером Джеймсом Уаттом для сравнения мощности паровых двигателей с мощностью тягловых лошадей. Впоследствии его стали применять и для оценки мощности других типов поршневых двигателей, а также турбин, электродвигателей и другого оборудования. Значение единицы варьировалось в разных географических регионах. В настоящее время большинство стран используют единицу СИ – ватт – для измерения мощности. С введением в действие Директивы ЕС 80/181/ЕЭС 1 января 2010 года использование лошадиных сил в ЕС допускается только в качестве дополнительной единицы измерения.
История
Развитие паровой машины послужило поводом для сравнения мощности лошадей с мощностью двигателей, которые могли бы заменить их. В 1702 году Томас Сэвери писал в книге «Друг шахтера»:
«Итак, двигатель, который сможет поднимать столько же воды, сколько две лошади, работающие вместе над такой задачей, и для работы с которым постоянно требуется десять или двенадцать лошадей, может быть сделан достаточно большим, чтобы выполнять работу, требующую постоянного содержания восьми, десяти, пятнадцати или двадцати лошадей».
Эта идея позже была использована Джеймсом Уаттом для продвижения его усовершенствованного парового двигателя. Ранее он договорился о получении роялти в размере одной трети экономии угля по сравнению со старыми паровыми машинами Ньюкомена. Эта схема роялти не работала с клиентами, у которых не было существующих паровых двигателей, а вместо этого использовались лошади. Уатт определил, что лошадь может вращать мельничное колесо 144 раза в час (или 2,4 раза в минуту). Радиус колеса составлял 12 футов (4 м), следовательно, лошадь проходила 2,4 × 2π × 12 футов за одну минуту. Уатт предположил, что лошадь может тянуть с силой, равной:
В книге «Инженерное дело в истории» рассказывается, что Джон Смитон первоначально оценил производительность лошади в в минуту. Джон Дезагульерс ранее предлагал в минуту, а Тредгольд – в минуту. «Уатт экспериментально установил в 1782 году, что «пивоварская лошадь» может производить в минуту». Существует распространенная легенда о том, что эта единица измерения появилась, когда один из первых клиентов Уатта, пивовар, специально потребовал двигатель, который бы соответствовал мощности лошади, и выбрал самую сильную лошадь, которую у него была, доводя ее до предела. Согласно этой легенде, Уатт принял вызов и построил машину, которая оказалась даже мощнее, чем показатель, достигнутый пивоваром, и мощность этой машины стала лошадиной силой. В 1993 году Р. Д. Стивенсон и Р. Дж. Вассерсуг опубликовали в журнале Nature переписку, в которой обобщили измерения и расчеты пиковой и устойчивой мощности лошади. Ссылаясь на измерения, сделанные на ярмарке штата Айова в 1926 году, они сообщили, что пиковая мощность в течение нескольких секунд была измерена на уровне и отметили, что для продолжительной активности рабочая мощность около на лошадь соответствует сельскохозяйственным рекомендациям как XIX, так и XX веков, а также примерно в четыре раза превышает базовый уровень энергозатрат других позвоночных при продолжительной активности, и в течение нескольких часов. Ямайский спринтер Усейн Болт достиг максимальной мощности в 0,89 секунды своего мирового рекорда в беге на 9,58 секунды в 2009 году. В 2023 году группа инженеров модифицировала динамометр, чтобы измерить, какую мощность может развить лошадь. Эта лошадь выдала .
Метрическая лошадиная сила (PS, KM, cv, hk, pk, k, ks, ch)
Различные единицы, используемые для обозначения этого определения (PS, KM, cv, hk, pk, k, ks и ch), все соответствуют лошадиной силе в английском языке. Британские производители часто смешивают метрическую и механическую лошадиную силу в зависимости от происхождения двигателя. DIN 66036 определяет одну метрическую лошадиную силу как мощность, необходимую для подъема массы в 75 килограммов против силы земного притяжения на расстояние одного метра за одну секунду: 75 кг × 9,80665 м/с² × 1 м / 1 с = 75 кгс (килограмм-сила)⋅м/с = 1 PS. Это эквивалентно 735,49875 Вт, или 98,6% имперской лошадиной силы. В 1972 году PS была заменена на киловатт в качестве официальной единицы измерения мощности в директивах ЕЭК. Другие названия метрической лошадиной силы: итальянский cavallo vapore (cv), голландский paardenkracht (pk), французский cheval vapeur (ch), испанский caballo de vapor и португальский cavalo vapor (cv), русский лошадиная сила (л. с.), шведский hästkraft (hk), финский hevosvoima (hv), эстонский hobujõud (hj), норвежский и датский hestekraft (hk), венгерский lóerő (LE), чешский koňská síla и словацкий konská sila (k или ks), сербско-хорватский konjska snaga (KS), болгарский конска сила, македонский коњска сила (KC), польский koń mechaniczny (KM), словенский konjska moč (KM), украинский кінська сила (к. с.), румынский cal putere (CP) и немецкий Pferdestärke (PS). В 19 веке французы использовали собственную единицу вместо CV или лошадиной силы. Основываясь на стандарте 100 кгс⋅м/с, она называлась понселе и обозначалась буквой p.
Налоговые лошадиные силы
Налоговая или фискальная мощность – это нелинейная оценка автомобиля для целей налогообложения. Изначально показатели налоговой мощности в большей или меньшей степени соответствовали объему двигателя, но с 2000 года многие страны перешли к системам, основанным на выбросах, поэтому их нельзя напрямую сравнивать со старыми показателями. Citroën 2CV получил свое название от французского показателя фискальной мощности, "deux chevaux" (2CV).
Электрическая мощность
На табличках электродвигателей указывается их выходная мощность, а не потребляемая (мощность на валу, а не мощность, затрачиваемая на привод двигателя). Эта выходная мощность обычно указывается в ваттах или киловаттах. В Соединенных Штатах выходная мощность указывается в лошадиных силах, которые для этих целей определяются как ровно 746 Вт.
Мощность вала
Конская мощность на валу (shp) – это мощность, передаваемая на вал гребного винта, вал турбины или выходной вал автомобильной трансмиссии. Конская мощность на валу является распространенной единицей измерения для турбовальных и турбовинтовых двигателей, промышленных турбин и некоторых морских применений. Эквивалентная конская мощность на валу (eshp) иногда используется для оценки турбовинтовых двигателей и включает в себя мощность, эквивалентную остаточной реактивной тяге выхлопных газов турбины. Считается, что одна единица конской мощности производит определенную величину остаточной реактивной тяги.
Нормы испытаний мощности двигателя
Существует несколько различных стандартов, определяющих способы измерения и корректировки мощности и крутящего момента автомобильного двигателя. Корректирующие коэффициенты применяются для приведения измеренных значений мощности и крутящего момента к стандартным атмосферным условиям, что позволяет более точно сравнивать двигатели, на которые влияют давление, влажность и температура окружающего воздуха. Некоторые из этих стандартов описаны ниже.
Валовая мощность SAE
До 1972 года американские автопроизводители оценивали и рекламировали мощность своих двигателей в тормозных лошадиных силах (bhp), что являлось разновидностью тормозной лошадиной силы, известной как SAE валовая мощность, поскольку она измерялась в соответствии со стандартами Общества инженеров автомобильной промышленности (SAE) (J245 и J1995), которые предписывают испытание двигателя без навесного оборудования (такого как динамо-машина/генератор, вентилятор радиатора, водяной насос). Для получения сертификата испытание должно соответствовать соответствующему стандарту SAE, проводиться на предприятии, сертифицированном по ISO 9000/9002, и быть заверено третьей стороной, одобренной SAE. Некоторые производители, такие как Honda и Toyota, немедленно перешли на новую систему оценки. Мощность двигателя Toyota Camry 3.0 л 1MZ-FE V6 снизилась. Все калибровки и навесное оборудование должны были соответствовать серийным двигателям. Этот стандарт аналогичен DIN 70020, но имеет иные требования к подключению вентилятора двигателя во время испытаний, что приводит к меньшему отбору мощности от двигателя.
Экономическая комиссия Европы R85
ECE R85 — это стандарт ООН, касающийся одобрения двигателей внутреннего сгорания по методам измерения чистой мощности.
80/1269/ЕЭС
80/1269/EEC от 16 декабря 1980 года — это стандарт Европейского Союза, регулирующий мощность двигателей автотранспортных средств.
Международная организация по стандартизации
Международная организация по стандартизации (ISO) публикует несколько стандартов для измерения мощности двигателя. ISO 14396 определяет дополнительные требования и методику определения мощности возвратно-поступательных двигателей внутреннего сгорания при проведении испытаний выбросов отработавших газов по стандарту ISO 8178. Он применяется к возвратно-поступательным двигателям внутреннего сгорания для наземного, железнодорожного и морского транспорта, за исключением двигателей автотранспортных средств, предназначенных главным образом для дорожного использования. ISO 1585 – это кодекс испытаний нетто-мощности двигателя, предназначенный для дорожных транспортных средств. ISO 2534 – это кодекс испытаний валовой мощности двигателя, предназначенный для дорожных транспортных средств. ISO 4164 – это кодекс испытаний нетто-мощности двигателя, предназначенный для мопедов. ISO 4106 – это кодекс испытаний нетто-мощности двигателя, предназначенный для мотоциклов. ISO 9249 – это кодекс испытаний нетто-мощности двигателя, предназначенный для землеройной техники.
Японский промышленный стандарт D 1001
JIS D 1001 — японский стандарт для определения номинальной и эффективной мощности двигателей автомобилей и грузовиков с искровым зажиганием, дизельными двигателями или двигателями с впрыском топлива.