Крутящий момент двигателя и мощность, на что влияют эти показатели?
В данной статье мы рассмотрим влияние мощности и крутящего момента двигателя на динамику автомобиля, а так же принцип расчета крутящего момента.
Итак, что представляет собой мощность двигателя и на что она влияет? Для большинства автолюбителей не секрет, что чем выше мощность автомобиля (принято измерять в лошадиных силах), тем большую максимальную скорость может развивать автомобиль. Но следует помнить, что мощность развиваемая двигателем автомобиля — величина непостоянная и имеет прямую зависимость от оборотов двигателя. Если понятным языком, то при обычной езде при оборотах двигателя до 3х-4х тысяч оборотов используются далеко не все лошадиные силы имеющиеся под капотом. Т.к. пик максимальной мощности (указанной в паспорте автомобиля), на большинстве бензиновых двигателей достигается при 5500-6500 оборотов/минуту а у дизельных двигателей и вовсе при 3000-4000 об/мин. И почему то так сложилось, что в авто мире стало принятым брать за основную величину характеризующую динамические показатели автомобиля именно лошадиные силы.
И если с мощностью более менее понятно, то когда разговор заходит за крутящий момент двигателя, начинается полная неразбериха.
Давайте представим простую дорожную ситуацию, когда на небольших оборотах двигателя (2000-2500об/мин) требуется резко ускориться, например для обгона. Вот здесь как раз и вступает в силу крутящий момент и если он невелик, то при нажатии на педаль газа мы… ждем, пока автомобиль не наберет нужные обороты для динамичного ускорения. В случае же с большим показателем крутящего момента (на большинстве дизельных двигателей) динамичное ускорение при нажатии на педаль происходит незамедлительно.
Сам же крутящий момент двигателя представляет собой приложение силы на плечо рычага. Производимая сила измеряется в ньютонах, а рычаг в метрах. Отсюда и значение характеризующее крутящий момент – НюьтонМетры (Нм). Величина крутящего момента в 1Нм – означает, что сила в один Ньютон, приложена к рычагу имеющему плечо в 1 метр. В ДВС в роли рычага выступает кривошипно-шатунный механизм. Соответственно, чем более сильное толкающее воздействие оказывает на поршень воспламеняющая смесь в цилиндре, тем выше крутящий момент. В этом то как раз и кроется загадка более высокого крутящего момента дизельных двигателей в сравнении с бензиновыми. Т.к. бензиновые двигатели имеют степень сжатия в цилиндре – 9-12 Атмосфер, а дизельные 16-20 Атмосфер. Кстати моторы оснащенные нагнетателем (турбиной) обладают в первую очередь значительно более высоким крутящим моментом, т.к. турбина позволяет за счет нагнетания значительно большего количества смеси в цилиндр увеличить силу воздействия воспламеняющейся смеси на поршень.
Итак мы выяснили, что момент рождается за счет толкающей силы воздействующей на поршень, который в свою очередь передавая силу через шатун на коленвал и преобразует эту силу в крутящий момент. Суть этого процесса такова, что чем выше крутящий момент двигателя, тем быстрее двигатель набирает обороты под нагрузкой. Исходя из этого несложно понять, что именно от крутящего момента зависит динамика разгона.
Крутящий момент так же как и мощность имеет максимальные значения при конкретных оборотах двигателя. Но в данном случае более важным является не столько сама величина крутящего момента, сколько показатель оборотов, при которых момент достигается. Отсюда и разделение предпочтений автовладельцев между типами двигателей (бензиновый или дизельный).
Важно помнить, что бОльший объем двигателя так же способствует бОльшему крутящему моменту и соответственно более уверенной динамике ускорения.
Генри Форд говорил: «лошадиные силы продают автомобиль, а крутящий момент выигрывает гонки».
Мощность двигателя или Крутящий момент…
Основной характеристикой двигателя автомобиля обычно считают его Мощность. Именно этот показатель вводит в заблуждение в понимании динамичности разгона автомобиля.
Движение автомобиля происходит за счёт Мощности двигателя и Крутящего момента.
Мощность автомобиля определяется объёмом двигателя. Чем больше объём, тем больше мощность. Чем больше мощность, тем выше максимальная скорость автомобиля в каких-то режимах. Что же такое “Мощность”?
Мощность двигателя – это показатель вырабатываемой двигателем работы (энергии) в единицу времени. Пока двигатель работает, он производит работу, то есть переводит один вид энергии в другой. В данном случае тепловую энергию в крутящую (кинетическую) энергию движения.
Энергия образуется в двигателе за счёт сгорания горючего коктейля состоящего из воздуха и топлива. Чем точнее ингредиенты, тем лучше его сгорание. В разных режимах работы двигателя поджог горючей смеси и его сгорание происходят по-разному. Количество горючей смеси, частота его поджога определяет количество произведённой работы двигателем. Это выражается в количестве оборотов. Чем чаще сгорает смесь, тем больше двигатель производит работы. Менее часто – меньше работы производит. Соответственно и меньше оборотов двигателя.
Крутящий момент – это усилие, развиваемое двигателем. Крутящий момент определяет силу тяги на колесах и обеспечивает обычному автомобилю разгон и движение. Чем больше Крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля. Крутящий момент увеличивается с ростом рабочего объема двигателя. Поэтому двигатели, которым необходим значительный Крутящий момент, обладают большим объемом. От двигателя тяга быстрее передаётся к колесам, что позволяет машине интенсивнее разгоняться или же лучше тянуть.
Что же такое Крутящий момент и развиваемое усилие?
Все в детстве, например, крутили колесо велосипеда. Сначала задавали движение колесу. А потом, в определённый момент, прикладывали дополнительное усилие так, чтобы ускорить вращение. То есть своим усилием вы увеличивали Крутящий момент. По такому же принципу — до определённых оборотов — двигателем создаётся Крутящий момент через развиваемое усилие.
Например, чтобы переключиться на повышенную передачу, вам приходится раскручивать двигатель, чтобы создать крутящий момент. И когда вы переключились на повышенную передачу, крутящий момент компенсирует снижение мощности. Обороты снизились, и снизилась мощность. А динамика усилилась за счёт крутящего момента.
Для справки: Чем больше вы жмёте на педаль, тем больше обороты. А чем больше обороты, тем больше двигатель производит работы. А чем больше он производит работы, тем больше ему требуется топлива. Наибольшую мощность двигатель выдаёт при оборотах, близких к максимальным. Мощность двигателя и Крутящий момент зависят от наполняемости камеры сгорания горючей смесью.
Обороты двигателя обычного автомобиля делятся условно на четыре диапазона: холостые обороты — 600-950, малые — 950-2500, средние — 2500-4000, высокие — 4000 до макс.
На оборотах выше средних Крутящий момент достигает своего пика и начинает падать. В этом режиме наполнение камеры сгорания горючей смесью ухудшается, сила давления падает. Работа двигателя тратится на борьбу с инерцией и трением в двигателе. Из-за этого происходит снижение крутящего момента и динамики разгона.
На большинстве автомобилей тяга начинается от 2500 до 3500 об/мин. Возникает закономерный вопрос. Почему двигателю не хватает мощности и усилия до этих оборотов, чтобы задать Крутящий момент и создать инерцию движения? Дело в том, что идёт неправильное приготовление горючей смеси и происходит неполное сгорание топлива.
И на это есть несколько причин. И одна из них — это недостаток воздуха и плохое смешивание топлива с воздухом. И мы как раз занимаемся тем, что устраняем эту причину! Но это так, к слову, на правах рекламы!
Когда мы делаем профессиональный тюнинг дросселя, то горючая смесь на малых-средних оборотах становится правильной. Она лучше сгорает, создавая лучшее давление. Например, все в детстве качались на качелях или кого-то качали. Что бы раскачать качели в определённый момент прикладывали усилие, чтобы усилить движение. Здесь происходит что-то подобное. Сгораемая горючая смесь производит наилучшее усилие.
На дизельных машинах воздуха подаётся столько, сколько нужно. Поэтому у дизельных авто хорошая тяга на малых оборотах. На бензиновых авто водитель подачу воздуха осуществляет нажатием педали газа, которая соединена с дроссельной заслонкой. Насколько педаль нажали, столько воздуха и пропустили. Поэтому приходится нажимать достаточно, чтобы автомобиль поехал. Поэтому у бензиновых авто тяга на малых оборотах оставляет желать лучшего. 
То есть в диапазоне от 950 до 2500 об/мин воздуха не достаёт, а топлива подаётся больше необходимого. По этой причине в городском цикле расход автомобиля повышенный, потому что не всё топливо сгорает.
Дроссельная заслонка соединена с датчиком положения дроссельной заслонки. Это значит, что положение заслонки сообщает компьютеру авто сколько топлива нужно подать. Когда вы едете равномерно по трассе, то недостача воздуха компенсируется инерцией и крутящим моментом. Но, когда вы пытаетесь начать движение, задать инерцию автомобилю, то недостача воздуха до 2500-3500 об/мин даёт о себе знать. В результате — дёрганье при трогании с места и провалы при резком нажатии на педаль газа.
Резюме. Чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего топлива. Крутящий момент обеспечивает тягу при трогании с места и разгоне, если он достаточно большой и относительно постоянный на низких и средних оборотах. Высокий Крутящий момент в области низких и средних оборотов более экономичен, чем теоретическая максимальная мощность при высоких оборотах. Двигатели, которые выдают высокий Крутящий момент в широкой области оборотов, обеспечивают более равномерную Мощность при разгоне автомобиля, чем двигатели, которые выдают высокую максимальную Мощность в узком диапазоне оборотов. Равномерное нажатие на педаль газа даёт наилучший Крутящий момент при ускорении авто.
Загадка!
Если вы поняли, что причина отсутствия тяги на малых оборотах, это недостаток воздуха и неполное сгорание топлива, то вот вам загадка!
На картинке изображёна условная схема механического дросселя Рено Дастер 1,6л или ВАЗ Ларгус с таким же двигателем К4М. Красным кружочком выделен один из выступов в этом дросселе.
Вопрос! Зачем нужны эти выступы, если они ограничивают подачу воздуха до того момента, пока заслонка не откроется настолько, чтобы выйти за эти выступы? Из-за этих выступов машина тупит и у неё повышенный расход. Чтобы машина ехала, педаль газа надо нажимать от половины до максимума.
Ответ! – А хрен его знает!
Двигатель придушен не только электроникой, но и механически в виде этих выступов. Если убрать эти выступы, то машина станет более живой. А после нашей доработки автомобиль станет динамичным, легким в движении, и расход снизится минимум на 1,5 литра.
Для справки: выше перечисленные автомобили не являются единственными с данными проблемами. Возможно, ваш автомобиль исключение из правил! Даже владельцы автомобилей с двигателями 3-5,7 л после нашей услуги понимают, каких удовольствий их лишил автопроизводитель. Когда вы понимаете, что значит «автомобиль едет», вы слышите, как мучается чей-то автомобиль при наборе скорости. После нашей услуги двигатель 2 л. не становится 3-х литровым. Мы не увеличиваем заявленную мощность мотора. Мы просто увеличиваем тягу автомобиля на малых и средних оборотах, увеличив крутящий момент, через лучшее сгорание топлива.
Вам нужен автомобиль, который при трогании с места и при разгоне
не напрягаясь «следует» за педалью газа?!
Мощность двигателя или крутящий момент? Какая характеристика важнее?
Большинство автолюбителей судят о ходовых характеристиках авто по мощности двигателя. Обычно ее измеряют в киловаттах или лошадиных силах. Чем она больше, тем солиднее. Максимальную мощность двигатель внутреннего сгорания развивает на определенных оборотах. Обычно для бензиновых автомобилей это около 6000 оборотов в минуту, для дизельных – около 4000 об./мин. Именно поэтому дизельные движки относятся к классу низкооборотных, бензиновые – высокооборотные. Однако и среди бензиновых двигателей есть низкооборотные, и наоборот – есть дизельные высокооборотные.
Часто водитель сталкивается с ситуацией, когда необходимо придать авто значительное ускорение для выполнения очередного маневра. Жмешь педалью акселератора в пол, а автомобиль практически не ускоряется. Вот тут-то и нужен мощный крутящий момент на тех оборотах, на которых работает в данный момент двигатель. Именно он характеризует приемистость автомобиля. Поэтому каждый автовладелец должен знать, на каких оборотах его авто имеет максимальный крутящий момент перед тем, как садить красивую девушку в свою машину и показывать чудеса пилотирования.
Крутящий момент двигателя, что это?
Из курса физики за 9 класс многие помнят, что крутящий момент М равен произведению силы F, прикладываемой к рычагу длиной плеча L. Формула:
Длина в системе СИ измеряется в метрах, сила – в ньютонах. Нетрудно определить, что момент измеряется в ньютон на метр.
Основная сила в двигателе внутреннего сгорания вырабатывается в камере сгорания в момент воспламенения смеси. Она приводит в действие кривошипно-шатунный механизм коленвала. Рычагом здесь является длина кривошипа, то есть, если эта длина будет больше, то и крутящий момент тоже увеличивается. Однако, увеличивать кривошипный рычаг бесконечно нельзя. Во-первых, тогда надо увеличивать рабочий ход поршня, то есть размеры движка. Во-вторых, при этом уменьшаются обороты двигателя. Двигатели с большим рычагом кривошипного механизма применяют в крупномерных плавательных средствах. В легковых авто с небольшими размерами коленвала не поэкспериментируешь.
В технических характеристиках, указанных на модель двигателя, параметр максимального крутящего момента указывается совместно с величиной оборотов (либо пределами величин оборотов), при которых такой крутящий момент может быть достигнут. Обычно считается: если максимальный крутящий момент может быть достигнут на оборотах до 4500 об./мин., то двигатель низкооборотный, более 4500 – высокооборотный.
От величины крутящего момента напрямую зависит характеристика мощности двигателя автомобиля. Почему считается, что бензиновые движки заведомо могут обеспечить большую, чем дизельные, мощность. Дело в том, что в силу конструктивных особенностей и управляемости системы зажигания бензиновые двигатели могут длительное время работать на оборотах 8000 об./мин и более. Дизельные движки достигают максимального крутящего момента на более низких оборотах. В городском ритме движения, когда нет необходимости развивать предельные обороты, дизельные авто нисколько не уступают бензиновым, наоборот, на малых и средних оборотах спокойно можно двигаться в ритме от 30 до 60 км/час, не переключая третью либо 4-ю передачу.
Пересчитать крутящий момент в мощность двигателя и наоборот можно, руководствуясь упрощенной физической формулой:
По этой формуле получится мощность Р в киловаттах. Вводить надо М – крутящий момент двигателя в ньютон на метр, n– величина оборотов двигателя. Здесь 9549 — число, которое получается после упрощения основной формулы в результате перемножения констант (ускорения свободного падения, числа Пи и т.п.).
Для перевода киловатт в лошадиные силы следует результат умножить на 1,36. В некоторых случаях в технических характеристиках указывается крутящий момент на холостых оборотах.
Зависимости мощности двигателя и крутящего момента от количества оборотов
Типовые характеристики зависимости мощности и крутящего момента от оборотов двигателя приведены на рис.1
Из графика видно, что крутящий момент стабильно увеличивается до 3000 оборотов, затем наступает относительно пологий участок. На оборотах около 4500 об/мин достигается максимум крутящего момента около 178 ньютон*метр. В то же время мощность двигателя продолжает расти до достижения оборотов около 5500 об/мин, и на этих оборотах достигает около 124 лошадиных сил. Это понятно, если обратиться к формуле, в которой видно, что мощность пропорциональна произведению крутящего момента на величину оборотов. После 5500 оборотов в минуту уменьшение крутящего момента превышает крутизну увеличения оборотов, и мощность начинает уменьшаться.
Как это объяснить физически, то есть, без формул. На малых оборотах в область сгорания поступает небольшое количество воздушно-топливной смеси в единицу времени, соответственно, крутящий момент и мощность небольшие. Увеличивая обороты, количество смеси (а вслед за ним и мощность, крутящий момент) возрастает. Достигая больших значений, мощность уменьшается по следующим причинам:
механические потери на трение механизмов;
недостаточное нагнетание воздуха (кислородное голодание).
Из соображений обеспечения максимального количества поступающего воздуха (кислорода) в камеру сгорания даже на небольших оборотах двигателя применяют системы турбонаддува с электронным регулированием. Используя такие системы можно обеспечить равномерность характеристик крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя, как показано на рис.2
Уровень максимального крутящего момента около 242 ньютон на метр поддерживается в пределах от 2000 до 5000 об/мин коленвала. Это значит, что можно без волнений начинать обгон, двигаясь на относительно низких оборотах двигателя.
Высокооборотные движки позволяют максимально увеличивать мощность за счет уверенной работы на предельно высоких оборотах вплоть да 8000 об/мин, как показано на рис.3
Если вы серьезно подходите к динамическим характеристикам своего или вновь приобретаемого автомобиля, знать характеристики крутящего момента и мощности двигателя в зависимости от оборотов просто необходимо. Их можно найти, покопавшись на различных форумах, сайтах автодилеров и производителей.
Для городского ритма движения лучше подойдут низкооборотные двигатели с турбонаддувом. Если вы любите попалить резину, посоперничать на трассе, лучше выбрать автомобиль с высокооборотным бензиновым движком.
Можно ли увеличить крутящий момент двигателя
Величину необходимого крутящего момента определяют конструкторы еще на предварительном этапе конструкторской разработки двигателя внутреннего сгорания. От нее зависят и другие элементы автомобиля: подвеска, тормозная и рулевая система, аэродинамика. Поэтому, прежде чем приступить к самостоятельному форсированию двигателя, убедитесь, что ваша машина не развалится или не улетит в космос на умощненном двигателе.
Способов увеличения крутящего момента и, соответственно, мощности много:
изменение геометрических свойств поршневой группы, увеличение компрессии;
замена форсунок или инжекторов;
внесение изменений в систему воздухозабора;
чип-тюнинг путем перепрограммирования топливной карты блока управления двигателя.
Опыт показывает, что принудительное увеличение крутящего момента и мощности двигателя на 20% уменьшает ресурс его работы приблизительно в два раза. Поэтому, если вы не фанат дрэг-рейсинга, дрифтинга и красивых девушек, лучше не экспериментировать.
vulkan_avia
Ликбез для себя, или заметки на полях ЖЖ доходчиво объясняющие суть физики.
Что такое МОЩНОСТЬ?
Мощность — это скорость совершения работы.
Все, что может совершать работу, — человек, животное, падающая вода, двигатель, — обладает определенной мощностью.
Человек поднял на крышу дома груз в 25 кг за 12 секунд, а кран — за 1 секунду. Работа одна и та же, но кран сделал ее в 12 раз быстрее, следовательно, его мощность в 12 раз больше, чем мощность человека.
О мощности же двигателя или другого источника энергии судят не по количеству совершаемой работы, а по быстроте, с какой она совершается.
Чем же измеряется мощность?
Лошадиными силами. Лошадиная сила (л. с.) — это единица мощности. Она составляет примерно такую мощность, которую может развить очень сильная лошадь.
В механике лошадиная сила определяется точно: это способность за 1 секунду совершить 75 килограммометров работы, например, поднять за 1 секунду 75 килограммов на высоту 1 метра.
На рисунке показана работа моторов двух самолетов за 1 сек.
Первый самолет пролетает за 1 сек. 30 метров (108 километров в час), причем тяга винта составляет 250 кг.Следовательно, работа мотора за 1 сек. равна 250×30=7500 кг·м, что соответствует мощности 7500/75 = 100л.с.
Такова мощность, которая требуется самолету, чтобы лететь с данной скоростью.
Но так как часть мощности мотора затрачивается кроме полезной тяги, идущей на продвижение самолета, еще на различные непроизводительные и вредные потери винта, то полная мощность должна быть больше 100 л. с. На рисунке мощность мотора указана равной 140 л. с. Это значит, что потери винта составляют 40л.с.
Второй самолет (истребитель) пролетает в секунду 150 м (540 км/час). Тяга винта равна 400 кг. Следовательно, работа мотора за 1 сек. равна 400×150=60000 кг·м, что соответствует мощности: 60000/75 = 800 л.с.
При мощности мотора 1000 л. с. В данном случае потери составляют 200 л. с.
От чего же зависит мощность, развиваемая данным мотором?
От количества поступающего в цилиндры и сгорающего там в 1 секунду горючего (которое регулируется дроссельной заслонкой, управляемой сектором газа). Это понятно — ведь источником энергии для мотора является только горючее. Двигая сектором газа, мы можем заставить мотор работать с различной мощностью — от самой большой до самой малой. Положение сектора газа определяет в основном режим работы мотора.
Зависит или не зависит мощность мотора от оборотов?
Вот самолет Cessna-150 набирает высоту. Дроссель полностью открыт, мотор работает несомненно на полной мощности и дает, скажем, 2500 об/мин. Набрав высоту, летчик перешел в горизонтальный полет и убавил газ, т.е. уменьшил мощность мотора. Но обороты не падают и могут даже возрасти. Дальше летчик перешел в пикирование и полностью убрал газ. Мотор работает на самой малой мощности — всего каких-нибудь 1–2 л.с., а обороты не только не падают, но продолжают расти — 2300–2400 об/мин и т.д., и если не выйти из пикирования, обороты увеличатся так, что мотор выйдет из строя.
Мы видим, что у одного и того же мотора бóльшие обороты вовсе не означают большей мощности.
Но можно ли поэтому сказать, что мощность вовсе не зависит от оборотов?
Нет, нельзя. Это тоже будет неверно.
Итак, зависит или не зависит мощность мотора от оборотов? Давайте разберёмся.
Из чего складывается мощность мотора
Сила — это то, что действует в прямом направлении — тянет, толкает или давит. А вал мотора не тянет и не толкает свой маховик или винт, а поворачивает его с большим или меньшим усилием. Вот это вращающее или поворотное усилие называется вращающим, крутящим моментом или просто моментом.
Когда мы наворачиваем гайку на болт, мы прикладываем к ней момент — сначала небольшой (при помощи пальцев), пока гайка идет легко, а дальше, когда силы пальцев нехватает, пользуемся ключом для увеличения момента.
Точно так же для проворачивания воздушного винта при запуске мотора к винту прикладывают вращающий момент — руками или при помощи стартера. Поворачивая выключатель, рукоятку настройки приемника, кремальеру шкалы высотомера, педали велосипеда, — во всех случаях мы прикладываем не силу (как при подъеме гири), а момент.
Все двигатели — электрические, внутреннего сгорания — имеют вал, которому они сообщают свою энергию в виде крутящего момента различной величины. И чем сильнее двигатель, тем больший момент он создает на своем валу.
Итак, от чего зависит мощность, или, точнее: в чем выражается мощность двигателя?
Мы готовы ответить:
— В моменте на валу!
Раньше мы на тот же вопрос ответили, не задумываясь:
— В оборотах!
Тогда выяснилось, что мы ошиблись. Но разве мощность на самом деле не зависит от оборотов?
Мощность мотора зависит от двух величин:
1) от крутящего момента на валу и
2) от оборотов.
Если два двигателя имеют одинаковые моменты, т. е. вращают свои валы с одинаковой силой, то тот, который дает большие обороты, развивает большую мощность. И наоборот: если два двигателя дают одни и те же обороты, то тот, который дает больший момент на валу, имеет большую мощность.
Тогда мощность, которая зависит и от момента и от оборотов, выражается следующей формулой:
мощность = M · n, т. е. момент, умноженный на обороты.
Мощность есть произведение двух множителей: М и n
Используемая литература: В.Л. Теуш “Работа воздушного винта”, 1944г