Как определить крутящий момент двигателя?
Что такое крутящий момент двигателя и как его рассчитать?
Автоликбез 29 сентября 2019
Среди всех важных параметров двигателя авто наиболее показательным является мощность. Автолюбители часто оперируют «лошадиными силами» и забывают про еще один важный параметр, характеризующий машину – крутящий момент двигателя. Хотя данный показатель считается менее значимым, он определяет, насколько резким будет старт и дальнейшее ускорение авто.
Понятие крутящего момента двигателя
КМ можно представить как показатель силы вращения коленвала. Перед тем, как в нем разобраться, начнем с мощности и количества оборотов, а также разберем, почему все эти параметры взаимосвязаны. Первая характеристика подразумевает работу, которая производится за временную единицу. Под работой подразумевается преобразование энергии сгорания топлива в кинетическую. Вторая характеристика говорит о количестве оборотов вала в минуту. Ну, а крутящий момент можно назвать производной от этих характеристик величиной.
Учитывая принятую систему измерения силы в ньютонах (Н), а длины в метрах (м), крутящий момент измеряется в «Нм», поскольку речь о силе, прикладываемой к поршню и длине плеча коленчатого вала. Чем больше эта величина, тем выше динамика авто, соответственно, тем быстрее оно развивает заявленное количество «лошадок».
От чего зависит величина крутящего момента двигателя?
- радиус кривошипа коленвала;
- давление, создаваемое в цилиндре;
- поршневая площадь;
- объем.
По большей части, величина будет зависеть от объема ДВС: с его увеличением будет расти сила, которая воздействует на поршень. Конечно, немаловажную роль играет и радиус кривошипа, но учитывая конструктивные особенности современных двигателей, варьирование этой величины возможно только в небольших пределах. Также стоит сказать о зависимости от давления: чем оно больше, тем больше прикладываемая сила.
Формула расчета крутящего момента
Сначала посмотрим на формулу расчета мощности:
Р(мощность, кВт) = М(крутящий момент, Нм) х n (число оборотов в минуту) / 9550.
Расчет КМ выглядит следующим образом:
М(крутящий момент, Нм) = Р(мощность, кВт) x 9550 / n (число оборотов в минуту).
Дабы рассчитать нужные величины и не запутаться, достаточно воспользоваться конвертером, который доступен на многих автолюбительских сайтах.
Как измеряется крутящий момент?
Для этого достаточно взглянуть на техническую документацию своего авто. Но реальные измерения также доступны: необходимо использовать специальные датчики. Они позволят провести статические и динамические измерения.
Измерение заключается в создании ситуации, где двигатель набирает максимальные обороты, затем тормозится: в процессе создается график, демонстрирующий максимальный момент мотора в момент нажатия на тормоз. Сначала показатель будет небольшим, затем будет наблюдаться рост, достижение пика и падение.
СТО должны оснащаться профессиональными тензометрами: все измерения обрабатывает специальное ПО, а результаты отображаются в виде графиков. Основная сложность в измерении КМ – достичь высокой точности показаний. Устаревшие контактные, светотехнические или индукционные тензометры не обеспечивали должной эффективности, поэтому в настоящий момент используются измерители в виде компактного передатчика, закрепляемого на вал: он передает данные на прибор-приемник, предоставляющий данные, не нуждающиеся в обработке.
Мощность или крутящий момент – что важнее?
Для решения этой дилеммы необходимо понять несколько фактов:
- мощность имеет линейную зависимость от частоты оборотов коленвала: быстрее вращение – больше показатель;
- мощность – производная КМ;
- до определенного значения рост КМ зависим от числа оборотов: быстрее вращение – выше КМ. Но преодолев пиковое значение, он снижается.
Отсюда можно прийти к выводу, что крутящий момент – приоритетный параметр, характеризующий возможности мотора. В то же время, нельзя пренебрегать мощностью: это значит, что производители автомобилей должны настроить работу агрегата таким образом, чтобы соблюдался баланс этих величин.
Как можно увеличить крутящий момент двигателя?
- Смена коленчатого вала. К недостатка метода можно отнести тот факт, что это редкая для многих марок авто деталь: часто ее делают на заказ. Кроме того, это снизит долговечность двигателя.
- Расточка цилиндров. Более популярный метод, основанный на увеличении объема цилиндра. Метод доступен в большинстве автосервисных мастерских.
- Настройка карбюратора. Зачастую используется в дополнение к расточке.
- Увеличение турбонаддува. Доступно в моделях с турбированным двигателем. Тем не менее, снимая ограничения в блоке, который отвечает за управление компрессором – достаточно опасный способ, снижающий запас нагрузок в моторе. Тем, кто на него решается, также приходится прибегать к увеличению камеры сгорания, улучшению охлаждения, регулировке впускного клапана и смене распредвала, коленвала и поршней.
- Изменение газодинамики. Еще один метод, который по плечу только профессионалам. К тому же, убирая ограничения можно столкнуться не только с выросшей динамикой, а и с ухудшением сцепления.
- Использование масляного фильтра. Простой способ, снижающий засорение двигателя и продлевающий срок эксплуатации его запчастей.
Как видно, мотор – это сложный агрегат. Он уже рассчитан с использованием сложных инженерных формул и технологий, а значит, увеличение характеристики крутящего момента нежелательно. Если желание все же есть, стоит обратить внимание на два первых пункта. Можно, конечно, попытаться устранить заводские дефекты: убрать в камерах сгорания непродуваемые зоны и убрать в стыках заостренные углы, а также, неровности на клапанах. Но придется доверить эти операции специалистам своего дела.
Отдельно стоит сказать о так называемых усилителях КМ: их принцип основан на отборе мощности уменьшением оборотов, что не лучшим способом сказывается на долговечности конструкции. Подобные решения не увеличивают КМ, а позволяют его плавно менять на постоянных оборотах.
Какому двигателю отдать предпочтение?
В настоящий момент к привычным ДВС на дизельном топливе или бензине добавились еще и электродвигатели. Во всех этих конструкциях крутящий момент двигателя может кардинально отличаться.
Бензиновый двигатель
Действие основано на впрыске и формировании воздушно-топливной смеси с последующим возгоранием от искры свечей зажигания. Процесс происходит при температуре в 500 градусов, а коэффициент сжатия находится в районе 10 единиц.
Дизельный двигатель
Здесь коэффициент сжатия достигает уже 25 единиц, а температура составляет 900 градусов. При таких условиях смесь воспламеняется без необходимости в использовании свечей.
Электродвигатель
Пожалуй, самый простой и прогрессивный вариант, который лучше вообще исключить из списка. Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель работает по другому принципу, кардинально отличающемуся от традиционных ДВС. Здесь пикового КМ в 600 Нм можно достичь на любой скорости. Если же говорить о «лошадях», у Теслы их количество составит 416.
Но пока электрокары не получили повсеместного распространения. И если этот вариант по каким-либо причинам недоступен, рассмотрим особенности бензиновых и дизельных агрегатов. При одинаковых объемах первый способен давать высокую скорость, второй – быстрый разгон.
В заключение
Как уже отмечалось, КМ требует внимания непосредственно при выборе авто. Зная ключевые особенности двигателей, теперь не составит труда определиться с выбором. Что до увеличения значений крутящего момента в имеющейся машине, не стоит забывать о балансе, заложенном производителем, и уж тем более нежелательно прибегать к кардинальным мерам. Увеличение динамики можно рекомендовать только в силовых агрегатах, причем КМ должен располагаться в диапазоне, где он может достигать пиковых значений. Как бы там ни было, планомерное распространение электрокаров вскоре может избавить от мук выбора. А пока, лучше быть осведомленным в технических деталях машины, как минимум, это позволит не теряться среди вопросов коллег-автолюбителей.
Крутящий момент двигателя
Механизмы, узлы или детали автомобиля, все вместе и каждый по отдельности, безусловно важны, но основным элементом конструкции конечно же является двигатель. Анализ технических характеристик этого генератора движущей силы позволяет судить о том, насколько быстро авто набирает определенную скорость, как изменяются его тяговые и динамические возможности при увеличении его массы, езде в сложных дорожных условиях.
Базовые параметры двигателей внутреннего сгорания, бензиновых или дизельных, которые устанавливаются на абсолютное большинство современных легковых автомобилей, можно условно разбить на две группы.
Конструктивно заданные характеристики закладываются при проектировании и в процессе производства силового агрегата, являются неизменными в процессе эксплуатации:
- тип двигателя (бензиновый или дизельный);
- рабочий объем;
- степень сжатия топливовоздушной смеси.
Показателями, характеризующими работу мотора или так называемыми рабочими параметрами, являются:
- мощность;
- крутящий момент;
- удельный расход топлива.
Наибольший интерес вызывают параметры, от которых напрямую зависят динамические свойства автомобиля – это мощность и крутящий момент двигателя. Что же из себя представляют эти характеристики?
Что такое мощность двигателя
В официальных описаниях технических характеристик силовых агрегатов, параллельно с указанием мощности, обязательно приводится значение крутящего момента. Понятие мощности двигателя и понимание этого параметра, как правило, не вызывает сложностей – это физическая величина, характеризующая работу двигателя, выполняемую за единицу времени. То есть, мощность показывает, как быстро сможет автомобиль, имеющий определенную массу, преодолеть заданное расстояние. Чем больше мощность, тем больше максимальная скорость при неизменной снаряженной массе.
Мощность измеряется в ваттах или киловаттах (кВт), а также в лошадиных силах. Стоит отметить, что «лошадиная сила» – это внесистемная единица измерения (1 лошадиная сила = 735,5 Вт или 1 кВт = 1,36 л. с.).
Что такое крутящий момент двигателя
Несколько по-иному обстоит ситуация с пониманием крутящего момента, но, зная основные законы физики и базовое устройство силового агрегата, можно без труда прояснить это понятие. Крутящий момент двигателя – это качественный показатель, характеризующий силу вращения коленчатого вала. Этот параметр рассчитывается как произведение силы, приложенной к поршню, на плечо (расстояние от центральной оси вращения коленчатого вала до места крепления поршня (шатунной шейки)). Крутящий момент измеряется в ньютонах на метр (Нм).
Крутящий момент на коленчатом валу, как следует из вышеприведенной формулы, зависит от силы давления газов на поршень, а также от рабочего объема двигателя и степени сжатия топливной смеси в цилиндрах. Кстати сказать, значительно более высокий крутящий момент дизельных двигателей, по сравнению с аналогичными по объему бензиновыми моторами, объясняется чрезвычайно высокой степенью сжатия смеси дизельного топлива и воздуха в камерах сгорания (бензиновые — примерно 10:1, дизельные – около 20:1).
Высокий крутящий момент двигателя обеспечивает автомобилю отличную динамику разгона уже при низких оборотах вращения коленчатого вала, существенно увеличивает тяговые характеристики силового агрегата – повышает грузоподъемность авто и его проходимость.
Максимальное значение крутящего момента двигатель внутреннего сгорания достигает при определенных оборотах. У бензиновых моторов этот показатель более высокий, чем у «дизелей».
Мощность или крутящий момент — что важнее?
Если провести сравнительную оценку двух рабочих характеристик двигателя – мощности и крутящего момента, то очевидными становятся следующие факты:
- крутящий момент на коленчатом валу – основной параметр, характеризующий работу силового агрегата;
- мощность двигателя – это вторичная рабочая характеристика мотора, которая, по своей сути, является производной крутящего момента;
- зависимость мощности от крутящего момента выражается отношением: Р = М*n, где Р – мощность, М – крутящий момент, n – количество оборотов коленчатого вала в минуту;
- мощность двигателя линейно зависима от частоты вращения коленчатого вала: чем выше обороты, тем больше мощность мотора (естественно, до определенных пределов);
- крутящий момент также увеличивается при повышении оборотов двигателя, но достигнув своего максимального значения (при определенной частоте вращения коленчатого вала), его показатели снижаются, независимо от дальнейшего увеличения оборотов (график зависимости крутящего момента от частоты вращения двигателя имеет вид перевернутой параболы).
Некоторые выводы
- При оценке эксплуатационных параметров автомобиля и непосредственно рабочих характеристик его двигателя, величина крутящего момента обладает большим приоритетом, чем мощность.
- Среди силовых агрегатов, имеющих схожие конструктивные и рабочие параметры, предпочтительнее выглядят те, у которых крутящий момент больше.
- Для обеспечения наилучшей динамики разгона автомобиля и обеспечения оптимальных тяговых свойств двигателя, частоту вращения коленчатого вала нужно поддерживать в том диапазоне значений, при которых крутящий момент достигает своих пиковых показателей.
Изменение крутящего момента и динамика автомобиля
Чтобы обеспечить наилучшие динамические характеристики, автопроизводители стремятся устанавливать на автомобили силовые агрегаты, обладающие максимальным крутящим моментом в более широком диапазоне оборотов двигателя. Высокий крутящий момент характерен для дизельных силовых агрегатов, а также многоцилиндровых и турбированных моторов.
Чтобы правильно оценивать роль мощности и крутящего момента в формировании динамических характеристик автомобиля, нужно уяснить следующие факты:
- автомобиль с более мощным, но не обладающим достаточным крутящим моментом двигателем, будет уступать в разгонной динамике авто с высоким крутящим моментом;
- высокий крутящий момент, «подхватываемый» двигателем на низких оборотах, позволяет автомобилю ускоряться значительно эффективней;
- максимально возможная скорость автомобиля напрямую зависит от мощности двигателя, а крутящий момент не влияет на этот показатель: автомобили, обладающие огромным крутящим моментом, могут развивать весьма скромную максимальную скорость; пример: спортивные болиды (небольшой крутящий момент на карданном валу и высокая скорость) или тяжелые внедорожники (внушительный крутящий момент и невысокая максимальная скорость).
Независимо от мощности двигателя, разгонная динамика автомобиля, а также его способность «резво» преодолевать подъемы всецело зависят от величины максимального крутящего момента. Чем больший крутящий момент передается на ведущие колеса и чем шире диапазон оборотов двигателя, в котором он достигается, тем увереннее авто ускоряется и преодолевает сложные участки дороги.
Стоит заметить, что сравнение характеристик конструкционно идентичных, но имеющих разные крутящие моменты двигателей, имеет смысл только при одинаковых параметрах трансмиссии; коробки переключения передач должны обладать схожими передаточными отношениями. В противном случае, сравнивать крутящие моменты двигателей не имеет практического смысла.
Крутящий момент двигателя – просто о сложном
- Что такое крутящий момент
- Как рассчитать
- От чего зависит крутящий момент ДВС
- Как зависит мощность от крутящего момента
- Особенность дизельных двигателей
- Крутящий момент в легковом и коммерческом транспорте
- Как увеличить крутящий момент?
- Что в приоритете – мощность или крутящий момент
При выборе автомобиля многие обращают внимание на две вещи – дизайн и эксплуатационные характеристики. Идеальная машина должна иметь приятный вид, расходовать мало топлива и быть динамичной. Под последним обычно подразумевают мощность – чем ее больше, тем лучше. Но это не совсем так. Многое меняет крутящий момент двигателя. Почему маломощные дизельные авто лучше разгоняются, чем бензиновые? Можно ли увеличить крутящий момент без вреда для двигателя? Давайте разбираться.
Что такое крутящий момент
Говоря простым языком, это усилие, что развивает коленчатый вал при работе ДВС. Данный показатель зависит от давления газов на днище поршня. Чем больше давление, тем выше момент. Измеряется показатель в Ньютон-метрах (Н/м).
Крутящий момент двигателя
Следует знать, что тяговое усилие ДВС относится к коленчатому валу или маховику. Тяговое усилие на колесах – это «переработанный» коробкой момент двигателя. Его показатели отличаются в зависимости от передаточного числа трансмиссии.
Как рассчитать
Чтобы узнать тяговое усилие у конкретного автомобиля, нужно иметь данные о мощности и оборотах коленчатого вала. Для измерения следует брать пиковую мощность и обороты. Максимальный крутящий момент двигателярассчитывается по следующей формуле:
Где Р – мощность ДВС, измеряемая в кВт;
N – число оборотов двигателя автомобиля в минуту;
9550 – постоянный коэффициент в формуле.
От чего зависит крутящий момент ДВС
Чтобы легче разобраться в этом вопросе, посмотрим на график внешней скоростной характеристики (ВСХ) одного из двигателей Jeep Grand Cherokee.
График ВСХ двигателя Jeep Grand Cherokee
На картинке видно, что величина момента меняется при увеличении скорости оборотов ДВС. После частоты 3500 об/мин показатель резко падает. Почему так происходит? Суть в наполнении цилиндров горючей смесью. Объем новой смеси не всегда равен объему камеры сгорания. Данная характеристика называется коэффициентом наполнения цилиндров. Величина может быть выше или ниже 1.
Изменение коэффициента происходит ввиду строения впускного коллектора и настройки фаз газораспределения. В нашем примере впускные клапаны ДВС открываются на 10° до верхней мертвой точки и закрываются на 60° после прохождения нижней мертвой точки. Это сделано, чтобы сбалансировать «полку» момента и получить оптимальные значения для средних оборотов (частота вращения 2500-3500 в минуту), которые нам и нужны для повседневной эксплуатации.
Что происходит с нашим мотором, когда он работает на малых оборотах? В теории при уменьшении скорости поршня должна улучшится наполняемость цилиндра. На практике при частоте вращения 1600 об/мин значение тягового усилия падает до 260 Ньютон-метров. Причина тому – слишком позднее закрытие клапана и малая степень сжатия (7.4/1 вместо 9/1). Как итог – меньшее давление газов в конце такта сгорания, и соответственно, малый крутящий момент двигателя.
Как зависит мощность от крутящего момента
Давайте взглянем на график работы ДВС Saab 9-3. Как видно, кривая мощности круто возрастает на пике момента и слабо поднимается, когда он падает.
График ВСХ автомобиля Saab
Таким образом, мощность определяет объем работы, который мотор может выполнить за единицу времени. Величина мощности на определенных оборотах зависит только от тягового усилия на этих же значениях. И чтобы увеличить максимальную мощность, нужно поднять момент на больших оборотах.
Особенность дизельных двигателей
В последнее время дизельные ДВС набирают большую популярность среди любителей авто. Поводом является не только малый расход топлива, но и технические характеристики. Такие машины обладают «паровозной» тягой и крайне надёжны. Причин этому несколько:
- Большая степень сжатия мотора, во многом определяющая тяговое усилие. Бензиновые ДВС имеют степень сжатия от 8 до 12, тогда как у дизельных данное число составляет от 18 до 22.
- Дизтопливо сгорает раньше, чем бензин. Таким образом, ДВС может поглотить больше топлива и произвести больше работы за единицу времени.
- Длина хода поршня. Дизельные ДВС имеют больший ход поршней, что увеличивает тяговое усилие.
- Наличие наддува и усиленная конструкция цилиндропоршневой группы. Такие моторы имеют больший запас прочности, а за счет турбины – большой КПД.
- Дизтопливо более энергоемкое. Из одной порции дизтоплива можно извлечь больше энергии, чем из такого же количества бензина.
Теперь перейдем к цифрам. Примером послужит дизельный и бензиновый двигатель БМВ.
Как видно, дизельная «пятерка» слабее на 48 лошадиных сил, но выигрывает у бензиновой по крутящему усилию. Что это дает на практике? Имеем неплохие показатели динамики: дизельная БМВ разгоняется до сотни за 5,7 секунд, бензиновая – за 5,6.
Крутящий момент в легковом и коммерческом транспорте
Интересно знать, что «кривые» ВСХ дизельных двигателей легковых авто отличаются от грузовиков.
Разница дизельного ДВС легковушки и грузовика
Как можно увидеть, у грузового ДВС нет выраженной «полки» момента. Это сделано неспроста. Для таких авто важен пик тягового усилия, когда ему нужно тронуться с места и набрать скорость. Дальше этот показатель не так важен – в ход идут лошадиные силы. Разогнавшись, грузовик лишь поддерживает заданную скорость. «Размазав» полку тягового усилия как у легкового ДВС, не получится нормально тронуться с места груженым.
Как увеличить крутящий момент?
Автопроизводители применяли разные способы увеличения крутящего момента двигателя, но каждый из них имел свои недостатки:
- Увеличение рабочего объема поршневой. Цель доработки – чем больший объем камеры, тем большее количество топлива в ней сгорит. Но стоит учитывать, что такая доработка влечет увеличение расхода топлива, что недопустимо в современных условиях.
- Увеличение степени сжатия. Для этого производители уменьшают объем камеры сгорания, что позволяет получить избыток давления. Но чем большая степень сжатия, тем выше вероятность детонации. Сегодня наибольший параметр среди бензиновых ДВС – 14.
- Турбирование. Позволяет увеличить мощность и тяговое усилие автомобиля на 30 %. Но установка турбины подразумевает большие нагрузки на цилиндропоршневую группу. Мотор нуждается в технической доработке, что отображается на конечной цене автомобиля. Это недопустимо для машин бюджетного и среднего класса.
Как же удалось производителям увеличить тяговое усилие двигателя, не прибегая к подобным доработкам?
Принцип работы системы состоит в повороте распредвала по ходу вращения, что обеспечивает раннее открытие клапана. Для этого задействуется гидромуфта с системой управления. Это системы VANOS, VVT и VVT-i. В системе VTEC применяются кулачки разной формы, что позволяет ступенчато изменить высоту и время открытия клапанов.
Как влияет система изменения фаз на характеристики ДВС? За счет лучшего наполнения цилиндров, крутящее усилие продолжает расти с увеличением частоты оборотов. Спад происходит только после 7 тысяч.
Что в приоритете – мощность или крутящий момент
При выборе автомобиля с примерно равной мощностью, в приоритете будет стоять более «моментный». Почему? Мощность авто – это косвенный показатель тяговых характеристик, и максимальные его значения проявляются только при пиковых оборотах. В повседневной эксплуатации мы не доводим стрелку тахометра до красной шкалы, поэтому нас интересует тяговое усилие двигателя на средних оборотах. Для этого достаточно взглянуть на «полку» крутящего момента.
Сравнение характеристик бензинового и дизельного двигателя
Важно знать, что пиковое значение у разных двигателей достигается при разных оборотах. Одни авто развивают весь потенциал уже при 1500-2500 об/мин, другие раскрываются только после 4500. Это зависит от устройства впускного коллектора и системы газораспределения.
Еще один параметр, который следует учитывать – эластичность двигателя внутреннего сгорания. Это способность автомобиля набирать обороты под нагрузкой.
Эта характеристика существенно зависит от полки крутящего усилия.
Таким образом, идеальным для нас является автомобиль, способный не только быстро набирать «сотню», но и уверенно разгоняться в движении. Необходимо учитывать и полку момента – чем меньше она падает после пика с ростом оборотов, тем лучше. Для повседневной эксплуатации не стоит выбирать двигатель, который раскрывается только на «верхах» (если, конечно, вы не заядлый гонщик). Тот самый «подрыв» должен наступать уже после 1200 для дизельных и 2500 об/мин для бензиновых ДВС. С таким автомобилем вы уверенно будете чувствовать себя в городе и на трассе.
Крутящий момент двигателя
Рассуждая о главнейшем автомобильном узле — двигателе, стало принято превозносить мощность превыше других параметров. Между тем, вовсе не мощностные способности являются первостепенной характеристикой силовой установки, а явление, называемое крутящим моментом. Потенциал любого автомобильного двигателя напрямую определяется данной величиной.
Понятие крутящего момента ДВС. О сложном простыми словами
Крутящим моментом применительно к двигателям автомобилей называется произведение значения силы и плеча рычага, или, простыми словами, сила давления поршня на шатун. Исчисляется эта сила ньютон-метрами, и чем выше ее величина, тем резвее машина.
Более того, мощность двигателя, выражаемая в ваттах, — это не что иное, как умноженное на частоту вращения коленвала значение крутящего момента в ньютон-метрах.
Представим лошадь, которая тащит тяжелые сани и увязает в канаве. Вытянуть сани не получится, если лошадь будет пытаться выскочить из канавы с разбега. Здесь необходимо приложить определенную силу, которая и будет являться крутящим моментом (КМ).
Часто крутящий момент путают с частотой вращения коленвала. В реальности это два совершенно разных понятия. Если вернуться к примеру с лошадью, застрявшей в канаве, частота шага будет символизировать частоту оборотов двигателя, тогда как сила, прикладываемая животным при отталкивании во время шага, олицетворяет в данном случае крутящий момент.
Факторы, влияющие на величину крутящих моментов
Из примера с лошадью легко догадаться, что в данном случае значение КМ будет во многом определяться мышечной массой животного. Применительно к автомобильному двигателю внутреннего сгорания эта величина зависит от рабочего объема силовой установки, а также от:
- уровня рабочего давления внутри цилиндров;
- размера поршня;
- диаметра кривошипа коленвала.
Наиболее сильно крутящий момент зависим от рабочего объема и давления внутри силовой установки, и эта зависимость прямо пропорциональна. Другими словами, двигатели с большим объемом и давлением, соответственно, отличаются и большим моментом.
Прямая зависимость наблюдается также между КМ и радиусом кривошипа коленвала. Однако конструкция современных автомобильных двигателей такова, что не позволяет варьировать значения момента в широких пределах, из-за чего возможности добиться повышенного крутящего момента за счет радиуса кривошипа коленчатого вала у конструкторов ДВС невелики. Вместо этого разработчики прибегают к таким способам увеличить момент, как использование технологий турбонаддува, увеличение степени сжатия, оптимизация процесса сгорания топлива, использование впускных коллекторов специальных конструкций, и т.д.
Важно, что КМ увеличивается с ростом оборотов двигателя, однако после достижения максимума на определенном диапазоне крутящий момент понижается несмотря на продолжающийся прирост частоты вращения коленвала.
Влияние крутящего момента ДВС на характеристики автомобиля
Величина крутящего момента выступает тем самым фактором, который непосредственным образом задает динамику разгона автомобиля. Если вы — заядлый автолюбитель, то могли заметить, что разные автомобили, но с одинаковым силовым агрегатом, по-разному ведут себя на дороге. Или на порядок менее мощный автомобиль на дороге превосходит того, у которого под капотом лошадиных сил больше, причем даже тогда, когда сравнимые авто имеют одинаковые размеры и вес. Причина заключается как раз в разнице в крутящих моментах.
Лошадиные силы можно представить как индикатор выносливости мотора. Именно этот показатель определяет скоростные возможности автомобиля. Но поскольку крутящий момент является разновидностью силы, то непосредственно от его величины, а не от количества «лошадей», зависит то, насколько быстро автомобиль сможет достичь максимального скоростного режима. По этой причине далеко не каждое мощное авто обладает хорошей динамикой разгона, а те, что способны разгоняться быстрее других, необязательно оснащены мощным двигателем.
Вместе с тем высокий крутящий момент еще не гарантирует сам по себе отличную динамичность машины. Ведь кроме прочего, динамика увеличения скорости, а также способность авто к резвому преодолению подъемов участков, зависит от диапазона работы силовой установки, передаточных чисел трансмиссии, отзывчивости педали газа. Наряду с этим нужно учитывать, что момент существенно понижается из-за различных противодействующих явлений — сил качения колес и трения в различных автомобильных узлах, из-за аэродинамических и прочих явлений.
Крутящий момент vs. мощность. Связь с динамикой автомобиля
Мощность — производное такого явления, как крутящий момент, ею выражается работа силовой установки, выполненная за определенное время. А поскольку КМ олицетворяет собой непосредственную работу мотора, то в виде мощности отражается величина момента в соответствующий период времени.
Наглядно увидеть связь между мощностью и КМ позволяет следующая формула:
Где: P в формуле означает мощность, М — крутящий момент, N — обороты двигателя за минуту, а 9549 — коэффициент обращения N в радианы в секунды. Результатом вычислений по данной формуле будет являться число в киловаттах. Когда нужно перевести полученный результат в лошадиные силы, полученное число умножают на 1.36.
По сути, крутящим моментом является мощность при неполных оборотах, например, во время обгона. Мощность возрастает по мере роста момента, и чем выше этот параметр, тем больше запас кинетической энергии, тем легче автомобиль преодолевает противодействующие на него силы и тем лучше его динамические характеристики.
При этом важно помнить, что мощность достигает своих максимальных значений не сразу, а постепенно. Ведь с места автомобиль трогается на минимуме оборотов, и затем скорость наращивается. Именно здесь и подключается сила под названием крутящий момент, и именно она определяет тот самый временной отрезок, за который авто достигнет своей пиковой мощности, или, другими словами, скоростную динамику.
Из этого следует, что машина с силовым агрегатом мощнее, но обладающим недостаточно высоким крутящим моментом, уступит по скорости разгона модели с мотором, который, напротив, не способен похвастать хорошей мощностью, но превосходит конкурента в крутящем моменте. Чем большая тяга, сила передается ведущим колесам и чем богаче диапазон оборотов силовой установки, в котором достигается высокий КМ, тем быстрее происходит ускорение автомобиля.
В то же время существование крутящего момента возможно без мощности, но существование мощности без момента — нет. Представьте, что наша лошадь с санями увязла в грязи. Производимая лошадью мощность в этот момент будет равняться нулю, но крутящий момент (попытки выбраться, тяга), хотя его может быть недостаточно для движения, будет присутствовать.
Дизельный момент. Отличия между КМ бензинового и дизельного двигателей
Если сравнивать бензиновые силовые установки с дизельными, то отличительной особенностью последних (всех без исключения) является повышенный крутящий момент при меньшем количестве лошадиных сил.
Бензиновый ДВС достигает своих максимальных значений КМ при трех-четырех тысячах оборотов в минуту, но затем способен стремительно нарастить мощность, раскрутившись за минуту до семи-восьми тысяч раз. Диапазон оборотов же коленчатого вала дизельного двигателя обычно ограничен тремя-пятью тысячами. Однако в дизельных установках больше ход поршня, выше уровень сжатия и другая специфика сгорания топлива, что обеспечивает не только более высокий относительно бензиновых установок крутящий момент, но и доступность этой силы едва ли не с холостого хода.
По этой причине смысла добиваться повышенной мощности дизельных двигателей нет: уверенная, доступная «с низов» тяга, высокий коэффициент полезного действия и топливная эффективность полностью нивелируют отставание таких ДВС от бензиновых как по мощностным показателям, так и по скоростному потенциалу.
Особенности правильного разгона машины. Как выжать из авто максимум
Основа правильного разгона — умение работать с коробкой передач и следование принципу «от максимума момента до пика мощности». То есть, добиться наилучшей динамики разгона машины можно только поддерживая частоту вращения коленвала в том диапазоне значений, при которых КМ достигает своего максимума. Очень важно, чтобы обороты совпали с пиком крутящего момента, но при этом должен оставаться запас по их увеличению. Если разгоняться на оборотах выше пиковой мощности, динамика разгона будет меньше.
Диапазон оборотов, соответствующий максимуму крутящего момента, обусловлен характеристиками двигателя.
Выбор двигателя. Какой лучше — с высоким моментом или повышенной мощностью?
Если подвести итоговую черту под всем вышесказанным, то станет очевидно, что:
- крутящий момент — ключевой фактор, характеризующий возможности силовой установки;
- мощность — это производная КМ и, соответственно, вторичная характеристика двигателя;
- прямую зависимость мощности от момента можно увидеть по выведенной физиками формуле Р (мощность) = М (момент) * n (частота вращения коленвала в минуту).
Таким образом, выбирая между двигателем с большим количеством лошадиных сил, но меньшим крутящим моментом, и двигателем с большим КМ, но меньшей мощностью, приоритетным будет второй вариант. Использовать весь заложенный в автомобиль потенциал позволит только такой мотор.
При этом не следует забывать о взаимосвязи динамических характеристик автомобиля с такими факторами, как отзывчивость педали газа и коробка переключения передач. Лучшим вариантом станет то авто, которое не только оснащено двигателем с высоким крутящим моментом, но и имеет наименьшую длину задержки между нажатием педали газа и реакцией двигателя, а также трансмиссию с короткими соотношениями передач. Наличие этих особенностей компенсирует маломощность силовой установки, заставляя автомобиль разгоняться быстрее, чем машина с двигателем похожей конструкции, но с меньшей силой тяги.
Мощность и крутящий момент автомобильного двигателя
Так принято, что во время оценки технических характеристик любого автомобиля, прежде всего, смотрят на его мощность, однако не менее значительным показателем считается крутящий момент. Что представляют собой оба этих понятия, какова история их появления – обо всем этом и многом другом пойдет речь в нашем сегодняшнем материале.
Лошадиная сила и Ватт
Понятие «лошадиная сила» впервые использовал известный изобретатель и инженер конца 18-го – начала 19-го века Джеймс Уатт. Именно он придумал паровой мотор, а также первым просчитал мощность, которую развивает лошадь, поднимая уголь из шахты.
С тех пор, а это уже более чем 200 лет, развиваемая одной лошадью мощность, то бишь одна лошадиная сила, составляет 33 тыс. футов в мин. Эта мера используется в некоторых мировых государствах, но если говорить о Европе, то большее распространение там получила еще одна единица измерения мощности, именуемая ваттами. Ученые даже вывели формулу, и в соответствии с ней 1 л.с. = 746 Вт. Говоря иными словами, 1 кВт, равный 1 тыс. ваттам, соответствует 1 л.с., которая была умножена на 1,34.
Мощность двигателя: как измеряют
Говоря о понятии «мощность двигателя», важно отметить, что для него существуют не только различные единицы измерения, но и разные их способы, причем, каждый из этих способов измерения демонстрирует другой результат.
Стандартным способом измерения считается тот, который использует киловатты, он применяется в большинстве европейских стран. А вот когда мощность силовой установки дана в лошадиных силах, способы измерения могут розниться в зависимости от того, о каком именно государстве идет речь.
Так, в Японии и Соединенных Штатах для этого привлекают две разновидности показателей:
- Нетто. Подразумевается испытание мотора на стенде, причем, мотора, который оснащен всем, что необходимо для полноценной эксплуатации ТС – глушителем, вентилятором, генератором и т.д.
- Брутто. Данным способом испытывают обычно силовые установки, которые не оснащены дополнительными агрегатами. Мощность брутто на 10-20 процентов превышает мощность нетто.
DIN. Этот способ расчета мощности был внедрен немецким институтом стандартизации специально для измерения показателей моторов с т.н. неотделимым оборудованием, которое присутствует в машине по умолчанию. В этом случае имеется в виду насос и вентилятор системы охлаждения, генератор без нагрузки, топливный и масляный насос.
Крутящий момент, его соотношение с мощностью
Обе упомянутых выше единицы измерения мощности (лошадиные силы и ватты, а для укрупнения показателей последней единицы принято использовать понятие киловатт) придумал Дж. Уатт, однако движет авто крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах. Почему не от мощности двигателя машины зависит ее способность к движению?
Мощность и крутящий момент – тесно связанные между собой характеристики: мощность, измеряемая в ваттах, представляет собой пример умножения крутящего момента на 0,1047 и на число об./мин.
Говоря иными словами, мощность показывает объем работы, выполняемой за указанный промежуток времени. Крутящий момент демонстрирует саму способность двигателя выполнять эту работу.
Например, если авто застряло в болоте и перестало двигаться, мощность мотора равняется нулю, т.к. никакая работа не выполняется, тогда как крутящий момент присутствует даже при том, что его показатели окажутся минимальными, недостаточными для начала движения. Таким образом, крутящий момент без мощности бывает, но не наоборот.
На практике от мощности напрямую зависят скоростные показатели транспортного средства: чем она выше, тем быстрее может двигаться автомобиль. Крутящий момент (его еще называют «момент силы») — показатель силы вращения коленвала и его способность оказывать сопротивление вращению. Высокий крутящий момент двигателя нагляднее всего в процессе разгона или при езде в тяжелых условиях, когда мотор выдерживает критические нагрузки.
Еще одним важнейшим показателем, отображающим возможности двигателя, по праву считается диапазон оборотов, когда достигается наибольшая тяга. Также немаловажное значение имеет эластичность мотора, то есть его возможность развивать высокие обороты под большой нагрузкой. Имеется в виду соотношение между числом оборотов для наивысшей мощности и для достижения максимально возможного крутящего момента.
Это влияет на регулировку скорости движения посредством педалей акселератора и тормоза без использования КПП, а также возможность движения с маленькой скоростью на высших передачах.
Так, например, благодаря хорошей эластичности двигателя машина на 5-й передаче ускорится с 75-80-ти км/час до 120-ти, и чем быстрее это произойдет, тем эластичнее силовая установка. Если будет стоять выбор между двумя моторами с аналогичным объемом и мощностью, то лучше тот, который эластичнее, ведь он экономичнее, тише в работе, отличается большей износостойкостью.
Обороты силовой установки
При указании технических характеристик ТС присутствует понятие не только крутящего момента, но и оборотов двигателя. Понять, как они связаны между собой, можно лишь разобравшись в самой природе ДВС, а он представляет собой агрегат, в котором химическая энергия сгорающего в рабочей зоне топлива превращается в механическую работу.
Так, из-за возгорания топливной смеси начинается перемещение поршня, влекущее за собой проворачивание коленвала. Получается, что происходящие поочередные циклы расширения и сжатия активируют механизм, а он обеспечивает преобразование движений поршня в обороты коленвала.
Это позволяет нам сделать вывод, что основные характеристики любого ТС – это крутящий момент и мощность двигателя плюс обороты, когда требуемые показатели достигаются. Само понятие обозначает число выполненных коленвалом оборотов в мин. Мощность и крутящий момент – переменные величины, непосредственное воздействие на которые оказывает как раз количество оборотов.
Для расчета мощности специалисты пользуются обычными математическими вычислениями, в частности, существует формула крутящего момента через мощность, которая выглядит так:
- М — крутящий момент;
- n — частота вращения, измеряемая в оборотах в минуту;
- w — угловая скорость вращения вала.
У многих людей возникает вполне логичный вопрос о том, зачем измерять мощность через обороты и крутящий момент. На самом деле это важно по ряду причин и во многих случаях, в частности составление графика крутящего момента двигателя — обязательная процедура в процессе разработки и сертификации каждой новой силовой установки.
Полученные данные нужны для возможного дальнейшего совершенствования двигателя и достижения максимальных эксплуатационных характеристик.Благодаря периодическому проведению всех требуемых замеров и составлению графика можно оценить реальное техническое состояние мотора.
Что важнее?
Ключевым достижением или главной целью любого работающего мотора является тяга, для нее тепловая энергия и трансформируется в механическую. Высокие тяговые показатели больше присущи силовым агрегатам, работающим на дизтопливе, которые отличаются большим ходом поршня.
Высокий крутящий момент в этом случае сводится на нет сравнительно небольшим максимально допустимым количеством оборотов – это специальное решение конструкторов с целью увеличения ресурса мотора.
Для бензиновых же агрегатов характерно большее число оборотов, а также определенный крен к мощности, и обусловлено это легкостью деталей и низкой степенью сжатия. Справедливости ради следует отметить, что с каждым годом оба вида моторов (и на дизельном топливе, и на бензине) совершенствуются, поэтому они становятся ближе не только с конструктивной точки зрения, но и в плане показателей, а вот простейшее правило рычага все еще сохраняется: если больше сила, ниже скорость и меньше расстояние и наоборот.
Однозначно никто не скажет, что важнее – мощность или крутящий момент, не существует, ведь оба показателя важны.
Машины с высокой мощностью мотора способны развивать большую скорость, да и сам скоростной диапазон у них заметно выше, а вот авто с высоким крутящим моментом гораздо быстрее разгоняется до первой сотни.
Так как с ростом крутящего момента увеличивается мощность, то те силовые установки, обороты которых выше, обычно характеризуются и большим количеством «лошадок».
Здесь целесообразно упомянуть понятие рабочего диапазона — расстояния, если можно так выразиться, между предельно высоким крутящим моментом и аналогичной мощностью, когда мотор работает наиболее эффективно и демонстрирует высокую производительность в сочетании с экономичным расходом топлива.
Подводя итоги
Подводя итоги, следует отметить, что и мощность двигателя, и крутящий момент неимоверно важны. Касаемо того, какую силовую установку предпочесть – более мощную или ту, у которой выше крутящий момент, то при сравнительно одинаковой мощности лучше взять мотор более «моментный». Это особенно актуально в машинах и механической коробкой передач.
