Что понимается под запасом крутящего момента двигателя

8

запас крутящего момента-это? я примерно понимаю что это, но можно поподробнее

Пусть двигатель выдаёт Х ньютоно-метров. Для движения нужно У ньютоно-метров.
Х-У=запас крутящего момента.

проще говоря-на сколько долго тебя прижимает в сиденье со старта

нет такого запаса, есть просто крутящий момент это время за которое ваш авто может набрать ту мощьность которую он выдаёт согласно завода

Устройство автомобилей

Оценить мощностные и экономические возможности двигателя внутреннего сгорания при работе его в различных эксплуатационных условиях можно по техническим и технологическим характеристикам, получаемым в результате различных испытаний – стендовых, дорожных, полигонных, эксплуатационных и т. п.

Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, вращающего момента на выходном валу, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, внешней нагрузки и т. п.). Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регулировок, а также его назначение.

Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»:

скоростная характеристика – зависимость основных эффективных показателей работы двигателя от частоты вращения его коленчатого вала;

коэффициент приспособляемости – способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки;

нагрузочные характеристики – зависимости удельного и часового расхода топлива от мощности, развиваемой двигателем;

характеристика холостого хода – зависимость часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя без нагрузки;

регулировочные характеристики – зависимость мощностных и экономических показателей работы от состава рабочей смеси, воспламеняемой в цилиндрах двигателя, угла опережения зажигания или впрыска, температуры двигателя и других регулируемых факторов.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочной характеристикой называется изменение часового и удельного расхода топлива в зависимости от величины нагрузки. Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических агрегатов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, нагрузочная характеристика имитирует работу двигателя на автомобиле, при его движении с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного сопротивления со стороны дороги.

Цель получения нагрузочной характеристики – определение топливной экономичности двигателя.

Условия получения нагрузочной характеристики:

• независимая переменная величина – нагрузка на двигатель (так как с увеличением нагрузки для ее преодоления двигатель должен увеличивать мощность N_е , среднее эффективное давление р_е и крутящий момент М_к , то нагрузку выражают в процентах относительно одного из этих параметров;
• постоянная величина – частота вращения коленчатого вала;
• зависимые переменные величины – удельный расход топлива g_е и часовой расход топлива G_t .

Скоростная характеристика

Скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость основных эффективных показателей его работы (эффективная мощность, вращающий момент на выходном валу, удельный и часовой расход топлива) от частоты вращения коленчатого вала при постоянной подаче топлива в цилиндры в установившемся тепловом режиме.

Различают внешнюю и частичные скоростные характеристики.
Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытой дроссельной заслонке или соответствующем положении рейки топливного насоса дизеля) и при углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней скоростной характеристикой двигателя .
Внешняя скоростная характеристика позволяет определить максимальные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность при полных нагрузках.

Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя . Иными словами, любая характеристика, полученная при неполном открытии регулирующего органа двигателя, называется частичной скоростной характеристикой.

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний.
Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент М_т в (Н×м) и часовой расход топлива в кг/ч.

По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного вращающего момента и часового расхода топлива от частоты вращения вала двигателя.
Затем, используя формулы:

находят эффективную мощность и удельный расход топлива, после чего отображают их графические зависимости.

В зависимости от укомплектованности двигателя вспомогательными устройствами и оборудованием определяют мощность нетто (полная комплектация) или мощность брутто (неполная комплектация).
Различают следующие характерные частоты вращения коленчатого вала:

• минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;
• частота вращения, соответствующая наибольшему вращающему моменту;
• частота вращения, соответствующая наибольшей мощности двигателя;
• наибольшая возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем частоты вращения.

Характеристика холостого хода является частным случаем скоростной характеристики двигателя.

Внешнюю скоростную характеристику вновь проектируемого двигателя можно построить по эмпирическим зависимостям, где максимальная мощность и соответствующие ей удельный расход топлива и частота вращения берутся из данных теплового расчета двигателя при его конструировании.

Приемистость и приспособляемость двигателя

Способность двигателя с ростом частоты вращения коленчатого вала наращивать мощность называется его приемистостью .
Приемистость двигателя непосредственно влияет на приемистость автомобиля, т. е. его способности ускоряться и разгоняться. Скоростная характеристика во многом отражает степень приемистости двигателя: чем круче кривая N_е , тем приемистость двигателя больше.
Если сравнить скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля, то можно заметить, что кривая мощности N_е у дизеля круче, т. е. дизель обладает большей приемистостью.

Способность двигателя с ростом внешней нагрузки сохранять частоту вращения коленчатого вала называется его приспособляемостью (самоприспособляемостью или эластичностью).
Например, затяжной подъем один из автомобилей может преодолеть без переключения КПП на пониженную передачу, а другой при таких же условиях заглохнет. Следовательно, в первом случае приспособляемость двигателя автомобиля выше, чем во втором.
Приспособляемость автомобиля к изменению внешней нагрузки оценивается коэффициентом приспособляемости (коэффициентом самоприспособляемости). Чем больше значение этого коэффициента, тем лучше приспособляемость автомобиля к увеличению внешней нагрузки.

Устойчивость режима автомобильного двигателя к увеличению внешней нагрузки оценивают по запасу крутящего момента, который определяется отношением максимального крутящего момента М_кmax к крутящему моменту М_кном , развиваемому двигателем на номинальном режиме; это отношение и называют коэффициентом приспособляемости k .

Коэффициент приспособляемости k , характеризующий приспособляемость двигателя к изменению внешней нагрузки, может быть определен по формуле:

В бензиновых двигателях средний коэффициент приспособляемости k = 1,25. 1,35, в дизельных k = 1,05. 1,2.
Поскольку коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач, можно сделать вывод, что дизельные двигатели переносят изменение внешней нагрузки хуже, чем карбюраторные. Чтобы преодолеть этот недостаток дизелей увеличивают размеры цилиндров, что приводит к увеличению крутящего момента, а также применяют всережимные регуляторы частоты вращения коленчатого вала.

«Автомобильные двигатели»

7. Характеристики автомобильных двигателей. Внешние и частичные скоростные характеристики карбюраторного и дизельного двигателей. Коэффициент запаса крутящего момента.

Для оценки мощностных и экономических показателей двигателя при его работе в различных условиях пользуются характеристиками двигателя.

Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и др.).

Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».

Скоростная характеристика двигателя представляет собой графическую зависимость основных эффективных показателей его работы Р_е , М_е, G_Т и g_e от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении дроссельной заслонки (или рейки топливного насоса) и установившемся тепловом состоянии.

Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытая дроссельная заслонка или соответствующее положение рейки топливного насоса дизеля) и углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней характеристикой двигателя.

Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя.

Внешние скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля приведены соответственно на Рис. 11.1.

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний. Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент М_Т в Нм и часовой расход топлива в кг/ч. По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного крутящего момента (Ме = М_Т) и часового расхода топлива G_T от частоты вращения вала двигателя n. Для построения графиков эффективной мощности P_e и удельного расхода топлива g_e используют формулы:

P_e = n M_e / 9550, кВт;

g_e = G_T / P_e, кг/кВт ч

где n, мин -1 ; M_e, Нм.

Характер кривой M_e обусловлен изменением среднего эффективного давления p_e. При полной подаче топлива наибольшее давление p_e, а значит, и наибольшее значение M_e получают при средних частотах вращения коленчатого вала. С понижением и повышением частоты величина p_e уменьшается вследствие ухудшения газообмена, а также больших потерь: тепловых при низких частотах вращения и механических при высоких.

Характер кривой P_e скоростной характеристики обусловливается тем, что эффективная мощность прямо пропорциональна не только давлению p_e, но и частоте вращения n. Мощность P_e возрастает до тех пор, пока увеличение частоты вращения компенсирует падение p_e.

На скоростной характеристике различают следующие частоты вращения коленчатого вала:

n_min – минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;

n_M – частота вращения, соответствующая максимальному крутящему моменту;

n_P – частота вращения, соответствующая максимальной мощности двигателя;

n_max – максимально возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем (карбюраторный двигатель) или регулятором частоты вращения (дизель).

На скоростной характеристике дизеля (см. Рис. 11.1) в интервале частот вращения n_P – n_max показаны регуляторные ветви характеристики.

Приспособляемость двигателя к изменению нагрузки оценивается с помощью коэффициента приспособляемости:

k = M_{e max /} M_eP ,

или коэффициента запаса крутящего момента:

μ = (M_{e max} – M_eP ) 100% / M_eP

В карбюраторных двигателях k = 1,25. 1,35, в дизелях – 1,05. 1.2. Коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач.

Что такое запас крутящего момента двигателя

Что интересует людей, изучающих технические характеристики того или иного автомобиля? В первую очередь мощность, затем расход топлива и максимальная скорость. О крутящем моменте вспоминают редко. А зря.

Тяговые возможности моторов еще с момента рождения самоходных колясок принято оценивать по мощности, которая выражается в лошадиных силах. Из-за отсутствия в те далекие времена методики расчета и определения мощности до 1906/1907 годов эта характеристика двигателя имела не вполне четкое обозначение – она показывала приблизительную мощность – «от» и «до», например, от 15 до 20 л.с.

С 1907 года этот неточный показатель мощности разделили на два значения, например, 6/22 л.с. В первую цифру заложили значение налоговой ставки, а во вторую – мощность. Введенная налоговая лошадиная сила соответствовала определенному значению рабочего объема двигателя: 261,8 куб. см для четырехтактных моторов и 174,5 куб. см – для двухтактных. Появление такого способа установления налоговых ставок было обусловлено зависимостью рабочего объема двигателя от количества вырабатываемой им энергии и потребления топлива. Обозначать мощность в киловаттах (кВт), согласно международной системе измерений СИ, начали значительно позже.

На самом деле «мощность» отражает тяговые возможности двигателя лишь косвенно. С этим согласятся те, кто ездил на автомобилях-одноклассниках с двигателями приблизительно равной мощности и объема. Они наверняка заметили, что одни автомобили достаточно резвы начиная с низких оборотов, другие любят только высокие обороты, а на малых ведут себя достаточно вяло.

Много вопросов возникает у тех, кто после легковушки с 110-120-сильным бензиновым мотором пересел за руль такой же машины, но с дизельным двигателем мощностью всего 70-80 л.с. По динамике разгона, не используя спортивный режим (высокие обороты), на первый взгляд маломощный «дизель» с легкостью обойдет своего бензинового брата. В чем же здесь дело?

Вся эта неразбериха вызвана тем, что в каждом случае такая величина как сила тяги (FT, Н), приложенная к ведущим колесам, будет разной. Объяснение этому легко найти из формулы: FT=Мкр•i•h/r, где Мкр-крутящий момент vk.com/autobap двигателя, i-передаточное число трансмиссии, h – КПД трансмиссии (при продольном расположении двигателя h=0,88-0,92, при поперечном – h=0,91-0,95), r – радиус качения колеса. Из формулы видно, что vk.com/autobap чем больше крутящий момент двигателя и передаточное число, и чем меньше потери в трансмиссии (т.е. чем выше ее КПД) и радиус ведущих колес, тем больше сила тяги. Радиус колес, передаточное число и КПД трансмиссии у автомобилей-одноклассников очень схожи, поэтому на силу тяги они влияют не в такой степени как крутящий момент двигателя.

Если в формулу подставить реальные цифры, то сила тяги на каждом ведущем колесе, например, автомобиля Volkswagen Golf IV с 75-сильным мотором, развивающим крутящий момент 128 Н•м, будет равна 441 Н или 45 кГ•с. Правда, эти значения действительны, когда частота вращения коленчатого вала двигателя (3300 об/мин) соответствует максимальному крутящему моменту.

Что такое крутящий момент

Разобраться, что такое крутящий момент, можно на простом примере. Возьмем палку и один ее конец зажмем в тисках. Если надавить на другой конец палки, на нее начнет воздействовать крутящий момент (Мкр). Он равен силе, приложенной к рычагу, умноженной на длину плеча силы. В цифрах это выглядит так: если на рычаг длиной один метр подвесить 10-килограммовый груз, появится крутящий момент величиной 10 кг•м. В общепринятой системе измерения СИ этот показатель (умножается на значение ускорения свободного падения – 9,81 м/с2) будет равен 98,1 Н•м. Из этого следует, что получить больший крутящий момент можно двумя путями – увеличив длину рычага или вес груза.

В двигателе внутреннего сгорания нет палок и грузов, а вместо них имеется кривошипно-шатунный механизм с поршнями. Крутящий момент здесь получают благодаря сгоранию горючей смеси, которая при этом расширяется и толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун давит на «колено» коленчатого вала. Хотя в описании характеристик двигателей длину плеча не указывают, об этом позволяет судить величина хода поршня (удвоенное значение радиуса кривошипа).

Примерный расчет крутящего момента двигателя выглядит так. Когда поршень толкает шатун с усилием 200 кг на плечо 5 см возникает крутящий момент 10 кГ•с, или 98,1 Н•м. Чтобы этот показатель стал больше, радиус кривошипа следует увеличить или сделать так, чтобы поршень давил на шатунную шейку с большей силой. Увеличивать радиус кривошипа до бесконечности нельзя, так как размер двигателя тоже придется увеличивать в ширину и в высоту. Возрастают и силы инерции, требующие упрочения конструкции или уменьшения максимальных оборотов. vk.com/autobap Появляются при этом и другие негативные факторы.vk.com/autobap В такой ситуации у конструкторов двигателей остался только один выход – увеличить силу, с которой поршень приводит в движение коленчатый вал. Для этого топливно-воздушную смесь в камере сгорания необходимо сжечь более качественно и большее количество. Достигают этого путем увеличения рабочего объема, диаметра цилиндров и их количества, а также улучшения степени наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью, оптимизации процесса сгорания, повышения степени сжатия. Подтверждает это и расчетная формула крутящего момента: Мкр=VH •pe / 0,12566 (для четырехтактного двигателя), где VH – рабочий объем двигателя (л), pe – среднее эффективное давление в камере сгорания (бар).

Получить на коленчатом валу двигателя максимальный крутящий момент удается не на всех оборотах. У разных двигателей пик максимального крутящего момента достигается на различных режимах – у одних он больше на малых оборотах (в диапазоне 1800-3000 об/мин), у других – на более высоких (в диапазоне 3000-4500 об/мин). Объясняется это тем, что в зависимости от конструкции впускного тракта и фаз газораспределения эффективное наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью происходит только при определенных оборотах.

Большим крутящим моментом обладают многоцилиндровые двигатели, моторы с турбо- и механическим наддувом. А чемпионами по величине крутящего момента являются «дизели». Многие из них обеспечивают автомобилю высокую динамику уже при 800-1000 об/мин. Если же стать обладателем «дизеля», нет возможности, то подбирать машину лучше с двигателем, у которого максимальный крутящий момент развивается при более низких оборотах. Такой автомобиль легче разгонять. В противном случае двигатель придется «насиловать» высокими оборотами, при которых и расход топлива выше и детали изнашиваются более интенсивно.

Те, кто следит за тенденциями развития автомобилестроения, могли заметить, что создатели двигателей стремятся «выровнять» кривую крутящего момента, т.е. сделать его практически одинаковым во всем диапазоне оборотов. Делается это для того, чтобы исключить провалы на режимах, когда величина крутящего момента еще или уже не позволяет передать на колеса большую силу тяги.

Один из таких моторов – 2,7-литровый V-образный шестицилиндровый турбированный двигатель Audi. Этот 250-сильный двигатель развивает огромный крутящий момент 350 Н•м в широком диапазоне оборотов – от 1800 до 4500. Другой подобный, хотя и менее мощный двигатель предлагает концерн Volkswagen. Его 1,8-литровый 180-сильный турбированный мотор развивает крутящий момент 228 Н•м в диапазоне оборотов от 2000 до 5000. Ездить на машинах с такими двигателями сплошное удовольствие – независимо от оборотов при нажатии на педаль «газа» автомобиль одинаково динамичен (приемист) и не только позволяет любителям спортивной езды полностью реализовать свои желания, но и при спокойной езде способствует уверенным обгонам, перестроениям и движению при полной загрузке.

Повышение и «выравнивание» крутящего момента в современных двигателях обеспечивают различными путями: устанавливают по три, четыре и даже пять клапанов на цилиндр, механизмы изменений фаз газораспределения, впускные тракты делают с изменяемой длиной, крыльчатки турбин делают керамическими и регулируемыми с изменяемым углом наклона лопаток и т.д. Вся эта модернизация направлена на совершенствование процессов наполнения цилиндров свежим зарядом. Наибольшего результата в этом деле добились инженеры SAAB. В свой пока еще экспериментальный двигатель SAAB Variable Compression объемом всего 1,6 л они умудрились заложить мощность, равную 225 л.с. и крутящий момент 305 Н•м. Добиться столь высоких показателей шведским моторостроителям удалось благодаря возможности изменения объема камеры сгорания и соответственно степени сжатия (от 14:1 до 8:1) в зависимости от режимов работы двигателя. Получению этих характеристик способствует и система наддува воздуха под высоким давлением – 2,8 атм., четыре клапана на цилиндр и система промежуточного охлаждения воздуха (Intercooler) (см. «Автоцентр» №14 ‘2000).

А как же обстоит дело с таким популярным показателем как мощность? Здесь ситуация складывается следующим образом. Наверное, многие замечали, что рядом с указываемой в характеристике мощностью всегда стоит значение оборотов коленчатого вала, при которых двигатель развивает эту мощность. Как правило, эти обороты приближены к максимальным. Во всех других режимах двигатель выдает только некоторую часть указанной мощности.

Почему так происходит, хорошо видно из формулы для вычисления мощности двигателя (кВт) – N=Mкрn/9549, где Mкр – средний крутящий момент двигателя (Н.м), n – обороты коленчатого вала двигателя (об/мин). Из формулы следует, что на значение мощности влияют величины крутящего момента и обороты двигателя. Но так как численные значения оборотов двигателя в десятки раз превышают величину крутящего момента (например, 3000 об/мин и 120 Н.м), то и на изменение мощности они будут влиять в большей степени. Это еще одно доказательство того, что силу мотора мощность отражает косвенно.

Вышесказанное подтверждается следующим примером. Когда мы едем по трассе с постоянной скоростью, приложенная к ведущим колесам автомобиля сила тяги расходуется на преодоление всевозможных сил сопротивления движению (аэродинамическую, качению колес и т.д.) и трение в различных механизмах. Но когда возникает потребность резко ускориться для обгона, сделать это удается не всегда, так как появляется необходимость преодолевать появившиеся силы инерции. В этом случае говорят, что у двигателя не хватает мощности. Но мощность здесь ни при чем, так как со всеми силами сопротивления движению борется сила тяги, зависящая от величины крутящего момента двигателя. Чтобы увеличить силу тяги, необходим запас крутящего момента. Величина этого запаса и влияет на то, как быстро сможет ускориться автомобиль.

Для получения более резкого ускорения можно, конечно, и переключиться на пониженную передачу, когда передаточное число трансмиссии станет большим и сила тяги на колесах увеличится. Однако при этом есть опасность «перекрутить» двигатель, да и дальнейшего ускорения мы можем не получить, так как режим работы двигателя может быть приближен к экстремальному. Аналогичная ситуация складывается и на подъемах, когда запас крутящего момента одних двигателей позволяет продолжить движение, а у других его отсутствие требует перехода на пониженную передачу.

Вывод отсюда напрашивается следующий: какой бы мощностью ни обладал двигатель, а способность разгонять автомобиль и «вытаскивать» его на подъем полностью возложена на крутящий момент. Возникает вполне справедливый вопрос: что же означает мощность? Это универсальный показатель, в который заложили целый ряд характеристик автомобильного двигателя – энергоемкость, потребление топлива, тяговая способность

Оптимизировать крутящий момент и скорость. Интеллектуальное управление электродвигателем

Интеллектуальная система Exro оптимизирует работу электродвигателя как по крутящему моменту, так и по скорости в зависимости от режимов работы электрокара. Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы.

Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей.

Наверняка исследователи будут искать магниты, изготовленные с использованием более дешевых и редкоземельных элементов, как это недавно сделала Honda в проекте разработки Daido Steel. Их неодимовый магнит не содержит тяжелых редкоземельных материалов, но все еще достаточно мощный для использования в транспортных средствах. Скорости двигателя также повысятся: в настоящее время они варьируются примерно от 12 000 до 18 000 оборотов в минуту, но исследователи разрабатывают двигатели, которые могут развивать скорость до 30 000 об/мин, с тем преимуществом, что меньший, более легкий двигатель может выполнять работу большего, который вращается медленнее.

Также ведутся поисковые работы по улучшению управления температурным режимом, что еще больше повысит эффективность, и будут совершенно новые конструкции двигателей, такие как сверхлегкие моторы с колесными ступицами.

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой. Однако стоит, к примеру, учитывать их характеристики и тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Высокую мощность необходимо рационально использовать.

Работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток, на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Для получения высоких показателей – жесткие требования

Основными требованиями, предъявляемыми к электрическим двигателям электрокаров являются: высокая мгновенная мощность и высокая плотность мощности; высокий крутящий момент на низких скоростях для старта и набора скорости, а также высокая мощность на высокой скорости для крейсерского движения; очень широкий диапазон скоростей, включая области постоянного крутящего момента и постоянной мощности; быстрый отклик крутящего момента; высокая эффективность в широком диапазоне скоростей и крутящего момента; высокая эффективность рекуперативного торможения; высокая надежность и надежность для различных условий эксплуатации автомобиля; и разумная стоимость.

Кроме того, в случае неисправной работы, электрический двигатель должен быть отказоустойчивым. Наконец, с промышленной точки зрения, дополнительным критерием выбора является степень приемлемости на рынке для каждого типа двигателя, которая тесно связана со сравнительной доступностью и стоимостью связанной с ним технологии преобразования мощности

Универсальный – не значит лучший

Универсальные устройства, хорошо работающие во всех случаях, создать достаточно сложно. Когда инженеры проектируют электродвигатель для конкретного применения, он оптимизируется для создания наибольшего крутящего момента или скорости, поскольку эти два фактора часто взаимоисключающие. Это не проблема, если двигатель работает постоянно при стабильной нагрузке или скорости. Но если режим работы постоянно изменяется, что характерно для электромобилей, и периодически требуется либо большой крутящий момент, например, для разгона или преодоления перегрузок либо высокая скорость при легких условиях движения, то выдвигаются особые требования. Обычные решения — добавить коробку передач или использовать несколько двигателей, которые увеличивают стоимость, сложность и вес автомобиля (в Tesla Model 3 используется полный привод с двумя двигателями — один двигатель для высокого крутящего момента, а другой для скорости). В качестве альтернативы, инженеры часто идут на компромисс и проектируют двигатель для получения средних показателей, как по крутящему моменту, так и по скорости, допуская неэффективную работу на всех режимах, кроме ограниченного диапазона работы двигателя.

Действительно, в области постоянного крутящего момента электродвигатель прикладывает постоянный крутящий момент (номинальный крутящий момент) во всем диапазоне скоростей, пока номинальная скорость не будет достигнута. Помимо номинальной скорости двигателя, крутящий момент будет пропорционально уменьшаться со скоростью, что приводит к постоянной мощности (номинальной мощности). Область постоянной мощности в конечном итоге ухудшается на высоких скоростях, при которых крутящий момент уменьшается пропорционально квадрату скорости. Эта характеристика соответствует профилю тягового усилия в зависимости от скорости на ведущих колесах. По сути, для источника питания с заданной номинальной мощностью профиль тягового усилия в зависимости от скорости должен быть постоянным.

Такие компании, как инжиниринговая фирма GKN и известный производитель трансмиссий ZF, уже усердно работают над тем, чтобы сделать это реальностью. Используя трансмиссию, такую как eTwinsterX от GKN, электромобиль оснащен вторичным передаточным числом. Используя второе пониженное отношение, диапазон эффективности транспортного средства эффективно расширяется, что означает, что он смещает максимальную скорость транспортного средства выше, без необходимости вращения электродвигателя с большей частотой или не используя больше электричества. Это связано с тем, что двигатель вращается с более низкими оборотами, уменьшая количество тока, необходимого для привода двигателя при движении с заданной скоростью, и значительно увеличивая диапазон, поддерживая области эффективности «в идеальном месте» в течение более длительных периодов времени.

Используя тщательно рассчитанные передаточные числа, производитель может максимизировать эффективность для электромобиля без использования трансмиссии для переключения передач. К сожалению, это также приводит к снижению общей максимальной скорости автомобиля, чтобы компенсировать равномерно распределенную мощность.

Но в целом эти редукторы тяжелые, сложные и дорогие — и потенциально возникает желание создать электродвигатель, способный выполнять заданные функции без редуктора.

Новый малый шаг к решению глобальных задач

Команда из Техаса Exro Technologies изобрела новый тип электродвигателя, который может радикально упростить электрическую трансмиссию, обеспечивая при этом большую эффективность, крутящий момент, мощность и диапазон бонусов. Теоретически, меньшее количество движущихся частей в автомобиле означает большую эффективность.

Теперь производители нашли способ сделать эти электродвигатели еще более эффективными и привлекательными, улучшив диапазон и полезную мощность электромобилей

Запатентованная технология Exro, которая применима как к двигателям, так и к генераторам, эффективно обеспечивает две машины в одной — двигатель с высоким крутящим моментом и двигатель с высокой скоростью. В этом методе используется комбинация схем переключения и микроконтроллера, на котором работает алгоритм динамического управления мощностью, чтобы определить оптимальную конфигурацию катушек, необходимую для получения желаемого профиля скорости и крутящего момента. Exro называет его «приводом катушки» и говорит, что «он позволяет два отдельных профиля крутящего момента в данном двигателе. Первый откалиброван для низкой скорости и высокого крутящего момента, а второй обеспечивает расширенную работу на высокой скорости. Возможность изменения конфигурации позволяет оптимизировать эффективность для каждого режима работы, что приводит к общему снижению энергопотребления.

В стандартном двигателе каждая пара полюсов имеет катушку, и когда эта пара находится под напряжением, магнитное поле вращает ротор. Exro берет каждую катушку и разбивает ее на две или более катушок. Коммутационная схема размещает катушки последовательно, параллельно или в комбинации, в зависимости от требований нагрузки и скорости в данный момент.

Когда катушки соединены последовательно, двигатель генерирует высокий крутящий момент на низких скоростях. Параллельно, более низкая индуктивность уменьшает реактивное сопротивление и полное сопротивление статора, и с меньшим падением напряжения на статоре, большее напряжение доступно для ускорения привода машины при более высоком крутящем моменте, как видно из профиля крутящего момента ниже.

Эти электронные коробки передач могут быть применены к новым конструкциям двигателей или модернизированы для существующих двигателей. Это совершенно не меняет основополагающую конструкцию двигателя — во многих случаях требуется перемонтировать обмотки. Фактически, в конце 2019 года Exro выпустила свое первое доказательство концепции — модификацию для электронных велосипедов Motorino. Это было довольно легко дооснастить, так как у оригинального двигателя нужно было заменить только проводку катушки. Результатом модернизации стало увеличение крутящего момента и ускорения на 25 процентов.

Exro недавно согласилась сотрудничать с Zero Motorcycles для внедрения технологии переключения катушек в электродвигатели Zero. Кроме того, Exro сотрудничает с SEA Electric в производстве передовых силовых агрегатов для грузовых фургонов и грузовых автомобилей большой грузоподъемности, с Aurora Powertrains для улучшения двигателей своих электрических снегоходов и с Clean Seed для разработки электрического сельскохозяйственного оборудования.

Конструкция масштабируема и может применяться к двигателям в таких устройствах, как скейтборды, велосипеды, мотоциклы, автомобили, грузовики и автобусы, а также промышленное оборудование.

Предложенная система работает как для двигателей, так и для генераторов, является двойным выигрышем для диапазона электромобилей (EV), поскольку повышает КПД двигателя (таким образом, используя меньше энергии на единицу расстояния) и увеличивает возврат энергии во время рекуперативного торможения.

Что такое крутящий момент двигателя автомобиля

В списке ключевых характеристик любого бензинового или дизельного ДВС обязательно указывается мощность и крутящий момент двигателя. Что касается самого транспортного средства, отдельный акцент делается на разгонной динамике автомобиля 0-100 км/ч. независимо от типа силового агрегата под капотом (бензин, дизель, гибридный двигатель и т.д.). Традиционно сложилось, что максимум внимания покупателей изначально обращен на мощность двигателя, выраженную в лошадиных силах (л.с.). Прочно укоренилось мнение, что чем больше л.с. выдает двигатель, тем быстрее, динамичнее и, зачастую, престижнее окажется автомобиль в конечном итоге. Параллельно с этим показатель крутящего момента, который выражается в ньютон-метрах (Н∙м), маркетологи сознательно отодвигают на второй план.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое объем двигателя. Из этой статьи вы узнаете о том, по каким параметрам измеряется и на что влияет рабочий объем ДВС.

Такой подход хорошо иллюстрирует распространенное выражение среди продавцов автомобилей в США. Как они говорят, продавать машины помогают «лошади», то есть мощность, при этом двигает автомобиль вперед крутящий момент. Далее мы подробно рассмотрим, что такое крутящий момент двигателя внутреннего сгорания, а также взглянем на зависимость характеристик мощности двигателя, крутящего момента и разгонной динамики.

Мощность и крутящий момент ДВС

Для большинства рядовых автолюбителей понятие о показателе максимальной мощности и крутящего момента сводится к тому, что чем больше мощность, тем больше окажется и крутящего момента, а также более мощный двигатель всегда лучше. При этом чёткое понимание указанных характеристик мотора у многих отсутствует.

Смятение в этот лагерь также внесло растущее число «дизелистов», среди которых намного больше внимания уделяется именно кутящему моменту, а не мощности дизельного мотора. Также следует упомянуть и о турбомоторах, которые могут разгонять автомобиль намного быстрее, хотя мощность самого ДВС с наддувом заметно уступает атмосферным аналогам с намного более внушительным количеством «лошадей» под капотом. Получается, мощнее, но не всегда динамичнее и быстрее? Давайте разбираться, почему так происходит и чем «моментная» характеристика отличается от «мощностной».

Как мощность двигателя и крутящий момент влияют на разгон автомобиля

Как уже было сказано, в технических характеристиках указывается максимальная мощность двигателя и крутящий момент. Итак, крутящий момент представляет собой силу вращения коленвала ДВС. Измеряется крутящий момент в ньютон-метрах. Также моментная характеристика может быть выражена в килограмм-силах на метр. Крутящий момент возникает тогда, когда свободно вращающийся коленвал начинают тормозить.

Другими словами, на коленвал подается нагрузка, которая заставляет двигать автомобиль. Отметим, что крутящий момент имеет прямую зависимость от числа оборотов двигателя. Для двигателей внутреннего сгорания характерной особенностью является то, что на низких оборотах крутящий момент небольшой, затем наблюдается рост момента параллельно росту оборотов силового агрегата, далее происходит спад момента, хотя обороты остаются высокими. Обратите внимание, в характеристиках указывается максимальная мощность двигателя, например, 150 л.с. при 6000 об/мин. При этом максимальный крутящий момент указан на отметке 3500-3700 об/мин.

Так происходит по причине того, что на разных оборотах в камере сгорания происходят разные процессы, что отражается на эффективности наполнения цилиндров, качестве сгорания топливно-воздушной смеси, вентиляции цилиндров и т.д. Другими словами, количество воздуха на впуске, угол опережения зажигания, объем отработавших газов и ряд других параметров меняется в зависимости от числа оборотов коленвала. По этой причине каждому водителю бензиновой машины с малообъемным атмосферным мотором хорошо знакома ситуация, когда на «низах» при езде на высокой передаче двигатель не тянет, то есть крутящий момент очень мал.

Нажатие на педаль газа и поднятие оборотов до средних значений приводит к тому, что эффективность наполнения воздухом на впуске растет, топливно-воздушная смесь сгорает более полноценно, цилиндры лучше вентилируются. Результатом становится то, что крутящий момент растет. Добавим, что турбомоторы в среднем диапазоне оборотов полностью преодолевают эффект турбоямы, после чего у двигателя возникает желаемый подхват. Дело в том, что поток отработавших газов после раскручивания двигателя начинает эффективно вращать крыльчатку турбокомпрессора для подачи большего количества воздуха в цилиндры.

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве турбонаддува. Из этой статьи вы узнаете о конструктивных особенностях турбины, а также о преимуществах и недостатках данного способа увеличению мощности двигателя без увеличения его физического объема.

Дальнейший рост оборотов вызывает то, что в двигателе существенно растут механические потери. К таким потерям следует отнести трение поршневых колец о стенки цилиндров, а также различные инерционные потери в других узлах и механизмах двигателя. В результате КПД мотора падает, энергия начинает расходоваться на преодоление таких потерь в условии езды на приближенных к максимальным оборотах. Закономерно, что крутящий момент начинает уменьшаться с учетом растущих нагрузок. Турбомоторы также теряют отдачу, так как сам турбонагнетатель не обеспечивает должную производительность на максимальных оборотах.

Что такое крутящий момент двигателя автомобиля

В списке ключевых характеристик любого бензинового или дизельного ДВС обязательно указывается мощность и крутящий момент двигателя. Что касается самого транспортного средства, отдельный акцент делается на разгонной динамике автомобиля 0-100 км/ч. независимо от типа силового агрегата под капотом (бензин, дизель, гибридный двигатель и т.д.). Традиционно сложилось, что максимум внимания покупателей изначально обращен на мощность двигателя, выраженную в лошадиных силах (л.с.). Прочно укоренилось мнение, что чем больше л.с. выдает двигатель, тем быстрее, динамичнее и, зачастую, престижнее окажется автомобиль в конечном итоге. Параллельно с этим показатель крутящего момента, который выражается в ньютон-метрах (Н∙м), маркетологи сознательно отодвигают на второй план.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое объем двигателя. Из этой статьи вы узнаете о том, по каким параметрам измеряется и на что влияет рабочий объем ДВС.

Такой подход хорошо иллюстрирует распространенное выражение среди продавцов автомобилей в США. Как они говорят, продавать машины помогают «лошади», то есть мощность, при этом двигает автомобиль вперед крутящий момент. Далее мы подробно рассмотрим, что такое крутящий момент двигателя внутреннего сгорания, а также взглянем на зависимость характеристик мощности двигателя, крутящего момента и разгонной динамики.

Мощность и крутящий момент ДВС

Для большинства рядовых автолюбителей понятие о показателе максимальной мощности и крутящего момента сводится к тому, что чем больше мощность, тем больше окажется и крутящего момента, а также более мощный двигатель всегда лучше. При этом чёткое понимание указанных характеристик мотора у многих отсутствует.

Смятение в этот лагерь также внесло растущее число «дизелистов», среди которых намного больше внимания уделяется именно кутящему моменту, а не мощности дизельного мотора. Также следует упомянуть и о турбомоторах, которые могут разгонять автомобиль намного быстрее, хотя мощность самого ДВС с наддувом заметно уступает атмосферным аналогам с намного более внушительным количеством «лошадей» под капотом. Получается, мощнее, но не всегда динамичнее и быстрее? Давайте разбираться, почему так происходит и чем «моментная» характеристика отличается от «мощностной».

Как мощность двигателя и крутящий момент влияют на разгон автомобиля

Как уже было сказано, в технических характеристиках указывается максимальная мощность двигателя и крутящий момент. Итак, крутящий момент представляет собой силу вращения коленвала ДВС. Измеряется крутящий момент в ньютон-метрах. Также моментная характеристика может быть выражена в килограмм-силах на метр. Крутящий момент возникает тогда, когда свободно вращающийся коленвал начинают тормозить.

Другими словами, на коленвал подается нагрузка, которая заставляет двигать автомобиль. Отметим, что крутящий момент имеет прямую зависимость от числа оборотов двигателя. Для двигателей внутреннего сгорания характерной особенностью является то, что на низких оборотах крутящий момент небольшой, затем наблюдается рост момента параллельно росту оборотов силового агрегата, далее происходит спад момента, хотя обороты остаются высокими. Обратите внимание, в характеристиках указывается максимальная мощность двигателя, например, 150 л.с. при 6000 об/мин. При этом максимальный крутящий момент указан на отметке 3500-3700 об/мин.

Так происходит по причине того, что на разных оборотах в камере сгорания происходят разные процессы, что отражается на эффективности наполнения цилиндров, качестве сгорания топливно-воздушной смеси, вентиляции цилиндров и т.д. Другими словами, количество воздуха на впуске, угол опережения зажигания, объем отработавших газов и ряд других параметров меняется в зависимости от числа оборотов коленвала. По этой причине каждому водителю бензиновой машины с малообъемным атмосферным мотором хорошо знакома ситуация, когда на «низах» при езде на высокой передаче двигатель не тянет, то есть крутящий момент очень мал.

Нажатие на педаль газа и поднятие оборотов до средних значений приводит к тому, что эффективность наполнения воздухом на впуске растет, топливно-воздушная смесь сгорает более полноценно, цилиндры лучше вентилируются. Результатом становится то, что крутящий момент растет. Добавим, что турбомоторы в среднем диапазоне оборотов полностью преодолевают эффект турбоямы, после чего у двигателя возникает желаемый подхват. Дело в том, что поток отработавших газов после раскручивания двигателя начинает эффективно вращать крыльчатку турбокомпрессора для подачи большего количества воздуха в цилиндры.

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве турбонаддува. Из этой статьи вы узнаете о конструктивных особенностях турбины, а также о преимуществах и недостатках данного способа увеличению мощности двигателя без увеличения его физического объема.

Дальнейший рост оборотов вызывает то, что в двигателе существенно растут механические потери. К таким потерям следует отнести трение поршневых колец о стенки цилиндров, а также различные инерционные потери в других узлах и механизмах двигателя. В результате КПД мотора падает, энергия начинает расходоваться на преодоление таких потерь в условии езды на приближенных к максимальным оборотах. Закономерно, что крутящий момент начинает уменьшаться с учетом растущих нагрузок. Турбомоторы также теряют отдачу, так как сам турбонагнетатель не обеспечивает должную производительность на максимальных оборотах.

Если сказать иначе, мощность двигателя означает количество работы, которую агрегат способен выполнить за определенный промежуток времени. Мощность ДВС измеряется в киловаттах (кВт) и напрямую зависит от показателя крутящего момента на конкретных оборотах. Не вдаваясь в подробности, мощность является расчетной величиной и не измеряется отдельно от кутящего момента. Что касается максимальной мощности, такая мощность представляет собой условную точку начала уменьшения крутящего момента, но произведение мощности и оборотов еще не стремится к увеличению. С учетом данной информации становится понятно, что такое полка крутящего момента, которая часто отображается на графиках. Под такой полкой следует понимать диапазон оборотов, на которых постоянно доступен максимум крутящего момента.

Простыми словами, крутящий момент и есть мощность двигателя, которая будет доступна на разных оборотах мотора. Этой фактической мощностью, а не разрекламированной маркетологами «максималкой», водители каждый день пользуются во время обгонов и резких ускорений. Вот и получается, что ездим мы на крутящем моменте, а не на максимальной мощности, оценивая динамику разгона на том или ином двигателе.

Что касается самой максимальной мощности, от данного показателя зависит, прежде всего, та максимальная скорость, с которой способен двигаться автомобиль. Максимальная скорость становится доступной в том случае, когда расходуемая мощность равна мощности ДВС. При этом для определения «максималки» конструкторами учитывается ряд потерь на инерцию и трение, сопротивление потокам воздуха и качению колес. Если проще, от запаса мощности зависит способность мотора преодолевать растущие потери и сопротивление, что и позволяет агрегату разогнать автомобиль только до определенного предела и далее поддерживать набранную скорость.

Крутящий момент дизельного двигателя

Особенностью дизельных двигателей сравнительно с бензиновыми аналогами является более высокий крутящий момент и меньшая мощность. Дело в том, что дизельные моторы имеют суженный диапазон оборотов. Это связано с конструктивными отличиями таких моторов (ход поршня), а также более высокой степенью сжатия и спецификой процесса сгорания дизтоплива.

Другими словами, дизель изначально не приспособлен для работы на высоких оборотах. Следовательно, агрегат не так хорошо раскручивается. Параллельно с этим температура выхлопа у дизельного двигателя ниже по сравнению с бензиновым, а также на «низах» моторы на солярке не так склонны к детонации. В результате конструкторы смогли установить сложные и максимально эффективные системы турбонаддува именно на дизель.

Благодаря таким особенностям крутящий момент дизельного двигателя на низких оборотах намного выше аналогичных атмосферных или тубированных бензиновых ДВС. Поднимать мощность такого агрегата не имеет смысла, так как уверенная тяга на низах, высокий КПД и топливная экономичность полностью перекрывают небольшое отставание дизелей по показателю мощности и максимальной скорости.

Добавим, что потенциал дизеля позволяет сделать его даже мощнее бензиновых собратьев, но это приведет к существенному удорожанию и утяжелению всей конструкции двигателя. Также понадобится доработка системы питания дизельного мотора и установка более выносливой КПП, которая будет способна выдерживать просто огромный крутящий момент. Не следует забывать и об экологических нормах, для соответствия которым мощные дизели потребуют серьезной модернизации. Получается, поднимать мощность дизеля сегодня попросту нецелесообразно.

Подведем итоги

Если вы столкнулись с возможностью выбрать автомобиль с незначительно отличающимися по характеристикам двигателями, тогда оптимально выбирать агрегат с большим крутящим моментом. Данное правило особенно актуально для машин с МКПП. Например, производитель может выпускать одну и ту же модель, которая получает ДВС с рабочим объемом 1.8 литра (140 л.с.) и 2.0 (155 л.с.). Также следует учитывать и упомянутую выше полку крутящего момента, то есть зависимость мощности и крутящего момента от оборотов двигателя.

Лучшим вариантом двигателя будет тот, когда мотор выходит на пик момента не на определенных оборотах, а в максимально широком диапазоне. Например, простой атмосферный двигатель может иметь пик крутящего момента на 3500 об/мин, в то время как его продвинутый высокотехнологичный аналог с турбиной выходит на пик момента уже при 1500 об/мин, сохраняя «ровную» полку до 4500 об/мин. Это значит, что в первом случае для уверенного разгона мотор нужно крутить, удерживать ДВС на оборотах максимального момента, а также чаще переключать передачи вниз при возникновении нагрузок. Во втором случае максимум крутящего момента будет доступен водителю в широком диапазоне оборотов, что позволяет эффективно ускоряться и справляться с меняющимися нагрузками без частого переключения передачи на пониженную. Другими словами, доступность высокого крутящего момента в расширенном диапазоне фактически означает, что и мощности почти всегда достаточно.

Указанные особенности разных ДВС и умение справляться с нагрузками определяют следующий показатель, который известен как эластичность двигателя. Под эластичностью мотора следует понимать способность агрегата набирать обороты и разгонять автомобиль в условиях растущей нагрузки без переключения передачи на пониженную.

Различные силовые установки тестируются на эластичность путем анализа тяги и разгона с 60 до 100 км/ч при движении на четвёртой передаче или ускорения с 80 до 120 км/ч на включенной пятой передаче. По этой причине малообъемный высокофорсированный двигатель, который имеет отличный подхват на низких оборотах и широкую полку момента, покажет себя отличным вариантом для города. Именно в городском цикле, то есть в условиях умеренных скоростей и режимов ускорение-замедление, потенциала такого ДВС более чем достаточно. При этом следует учитывать, что на более высокой скорости в режиме трассы подобный агрегат может не обеспечить уверенного обгона, уступив в этом плане простому атмосферному двигателю с большим крутящим моментом и мощностью.