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?

1. 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.
2. Расточка цилиндров. Более популярный метод, основанный на увеличении объема цилиндра. Метод доступен в большинстве автосервисных мастерских.
3. Настройка карбюратора. Зачастую используется в дополнение к расточке.
4. 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.
5. 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.
6. 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.

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.

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.

Источник http://autochainik.ru/krutyashhiy-moment-dvigatelya.html
Источник http://avtofirst.ru/krutyashhij-moment-dvigatelya-avtomobilya.html
Источник Источник http://mashinapro.ru/1893-krutyaschiy-moment-dvigatelya.html