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.

Видео: Мощность и крутящий момент двигателя

Видео: Крутящий момент, обороты и мощность двигателя. Простыми словами

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.

Полезные советы автолюбителям

Важно знать, что такое понятие, как крутящий момент автомобиля является одной из важнейших характеристик движка. Он не имеет постоянной величины, ему свойственно увеличиваться при нажатии на педаль акселератора, а при отпускании снижаться. Крутящий момент напрямую зависит от объема силового агрегата. Чем больше литраж, тем выше его значение, что делает возможным резкое ускорение и резкий старт авто с места.

Крутящий момент величина непостоянная и зависит от объема движка

Поскольку научное определение гласит, что крутящий момент – это воздействие некоторой силы на плечо рычага, то из этого видно, в чем он измеряется – Нм (произведение Ньютонов на метры). Эта сила передается от воспламенившегося топлива к поршню, далее по цепочке кривошипному механизму, а уже от него коленчатому валу, который раскручивает колеса, за счет работы приводов и трансмиссии.

На что влияет мощность и крутящий момент?

Мощность преодолевает силу трения в движке, приводах и трансмиссии, аэродинамические нагрузки, а также силу качения колес. Чем больше мощность силового агрегата, тем лучше автомобиль сопротивляется этим силам, а соответственно способен достигать большей скорости.

При движении автомобиль преодолевает силу трения в движке, приводах, трансмиссии и т.д.

Но мощность зависит от оборотов движка – на холостом ходу она значительно меньше, нежели на максимальных оборотах. Как правило, производители указывают какого числа оборотов нужно достичь, чтобы получить максимальную мощность.

Сразу при старте большую мощность развить невозможно, так как в начале движения автомобиль работает на малых оборотах. Движок выдает полную мощность только по истечении некоторого времени, которое определяет крутящий момент. Другими словами он определяет то, как быстро автомобиль будет набирать обороты. А от числа оборотов, которое выдает двигатель, зависит запас его силы.

К примеру, если максимальное число оборотов составляет 6000, то за счет большего запаса, педаль газа будет уже не так легко вжиматься в пол. Но с другой стороны двигатель будет дольше набирать все эти обороты, а значит медленнее развивать скорость. А чем выше будет крутящий моменту двигателя, тем стремительнее будут набираться обороты и «лошадиные силы» будут более ощутимы при нажатии на педаль газа.

Бывает, что и при высоком значении крутящего момента автомобиль разгоняется медленно. Это связано с тем, что движку нужно набрать определенное число оборотов, а после их достижения включается его максимальный крутящий момент. Он позволяет двигателю быстрее реагировать на действия водителя.

Но зависимость крутящего момента от мощности

есть, потому что мощность характеризует непосредственно работу движка, а точнее – количество совершенных силовым агрегатом крутящих моментов за определенную единицу времени. То есть крутящий момент – это та самая работа двигателя.

Как можно определить крутящий момент

Наиболее простой вариант узнать крутящий момент – внимательно просмотреть техническую документацию, в которой должен быть указан этот параметр. В случае отсутствия такой информации измерение крутящего момента выполняется при помощи специальных датчиков.

Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента служат для динамических и статистических его измерений, а также позволяют контролировать частоту скорости вращения и угол поворота. Они подсоединяются непосредственно к тензометрической станции и питаются от генератора, встроенного в эту тензостанцию. Результаты измерений обрабатываются программным обеспечением (энкодер, тахометр, тензометр, торсиограф и множество других), а результаты, как правило, отображаются в виде параметрической зависимости либо графиков и заносятся в журнал.

Главной особенностью датчиков крутящего момента является то, что они с выхода передают готовые данные, которые не требуют дополнительной обработки.

Какой крутящий момент лучше?

Чтобы это понять, какой крутящий момент лучше, сравним бензиновые и дизельные движки. Крутящий момент бензинового двигателя не очень большой, а максимальное значение достигается, как правило, при 3-5 тыс. об/мин, но при этом он может довольно быстро повысить мощность и набрать 7-8 тыс. об/мин.

Дизельному агрегату высокие обороты не присущи, в большинстве случаев они не превышают 5000 об/мин. Но его крутящий момент значительно выше, а доступен он практически с холостого хода.

«Лошадиные силы» — это не самый главный показатель

К примеру есть два движка с одинаковым объемом 2,0-литра – дизель с мощностью 140 «лошадок» и 320 Нм крутящего момента, а также инжектор мощностью 150 «лошадок» и моментом 200 Нм – можно увидеть явное преимущество максимального крутящего момента при минимальных оборотах. Во время испытаний дизель в пределах 1-4 тыс. об/мин мощнее на целых 30-40 «лошадей», а это существенная разница.

Поэтому не стоит верить лишь количеству лошадиных сил (т.е. мощности), так как больший крутящий момент свидетельствует о большей динамике двигателя. Также достижение максимального момента при минимальном числе оборотов позволяет уменьшить расход топлива, экономить время и многое другое.

Как можно увеличить крутящий момент двигателя?

Существует несколько способов, при помощи которых можно добиться увеличения крутящего момента двигателя:

• увеличение рабочего объема движка;
• величины наддува;
• изменения в газодинамике.

Увеличения рабочего объема можно достичь путем замены штатного коленвала на коленчатый вал с большим значением эксцентриситета либо же путем расточки цилиндров, что обеспечит установку поршней большего диаметра.

Замена коленвала — один из способов увеличения крутящего момента

Замена коленвала требует много времени и нервов, так как найти нужный коленвал с большим значением эксцентриситета очень сложно. Их изготавливают под заказ некоторые фирмы, которые также найти нелегко, а стоимость работ очень высока. Проще купить коленчатый вал серийного производства, а поршневую группу и шатуны подбирать уже под него, но это тоже нелегко. Хотя загвоздка в другом. Использование более коротких шатунов предполагает лишние механические потери в работе движка, а также на такие шатуны воздействуют большие нагрузки.

Более выгодно увеличение диаметра цилиндра, так как стенка цилиндра толщиной 7-8 мм допускает расточку на несколько миллиметров, и это не будет влиять на ее прочность.

Увеличение диаметра цилиндров — еще один способ увеличения крутящего момента

А поршни в большинстве случаев можно подобрать серийные. Но не факт, что расточка цилиндров будет стоить намного дешевле замены коленвала. Эти 2 способа следует рассматривать применительно к каждому отдельному движку.

Увеличение крутящего момента при помощи увеличения наддува применительно лишь к турбированным двигателям.

Турбонаддув — удовольствие не для всех

Этот способ не предполагает изменений ни моментной кривой, ни объема, и двигатель трогать не нужно. Изменить величину наддува можно путем поднятия планки стравливания лишнего давления. Это позволит увеличить давление, которое посылает топливо-воздушную смесь в объем цилиндра. Но при этом требуются дополнительные усовершенствования: увеличение объема камеры сгорания, изменение системы охлаждения (установка дополнительного радиатора, воздухозаборников и многого другого).

Изменение в газодинамике предполагает увеличение заряда топливо-воздушной смеси, за счет удаления дефектов серийной сборки. При помощи специального инструмента убрать неровности на впускных и выпускных клапанах, снять острые углы в местах стыковки деталей, произвести замену седел и клапанов, а в камере сгорания устранить зоны, которые не продуваются.

Устранение дефектов серийного производства влечет ха собой изменения в газовой динамике автомобиля, но проводить работы «на глаз» рискованно, нужен точный расчет

Чтобы достичь определенного успеха, необходимо совершить массу математических вычислений, которые связаны с аэродинамическими процессами, проистекающими в движке. А это сделать очень сложно, так как именно по результатам этих вычислений выполняются операции по подрезке, отрезке, зачистке, загибанию и т.д. Если же выполнять это «на глаз», то очень высока вероятность достичь результата, противоположного ожидаемому.

Известны также специальные усилители крутящего момента, способствующие увеличению крутящего момента вала отбора мощности за счет уменьшения его оборотов относительно скорости вращения коленвала. Но во избежание скорейшего износа и поломок коробки, увеличив передаточное число необходимо уменьшать величину максимальных оборотов.

Усилитель крутящего момента

Существуют усилители, которые оснащены валом отбора мощности, коленвалом и механической передачей, которая их соединяет. Но такие усилители не увеличивают крутящий момент, они предназначены для плавного его изменения при постоянных оборотах коленвала.

Источник Источник Источник Источник http://car4road.ru/blog/krutyashhij-moment-dvigatelya
http://avtonam.ru/useful/krutyashhij-moment-dvigatelya/
Источник http://avtofirst.ru/krutyashhij-moment-dvigatelya-avtomobilya.html