Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Мощность или крутящий момент

Мощность или крутящий момент

Устройство автомобиля. Клуб любителей микроавтобусов и минивэнов

  • Темы без ответов
  • Активные темы
  • ПоискМобильная версия

Мощность или крутящий момент ⇐ Устройство автомобиля

Сообщение Andrey » 20 дек 2006, 12:46

Что такое мощность, знают все автомобилисты. И неплохо в этом pазбиpаются. Любой водитель скажет, что 100 л.с. вполне достаточно для компактного хэтчбэка и маловато для тяжелого седана бизнес-класса. И что 400 л.с. — это очень много для автомобиля любого типа. Но когда речь идет про кутящий момент и про «ньютон-метpы», в которых он измеряется, возникает заминка. Например 100 Нм — это много или мало? И почему «…очень хорошо, что мотор развивает 200 Hм всего при 1750 об/мин»? Итак, pечь пойдет о величине, непонятной большинству водителей. Кpутящий момент. Что это такое?

Для начала вернемся к «лошадиным силам». То есть к мощности. Этот показатель характеризует силу мотора. Однако запас силы зависит от оборотов. Наибольшую мощность современные моторы выдают в среднем при 5000–6500 об/мин. Но кто ездит в таких режимах? В обычной городской езде тахометр показывает 2000–3000 об/мин. Получается, если двигатель вашего автомобиля развивает порядка 100 л.с. почти на предельном режиме, то двигаясь в городском потоке на средних оборотах, вы имеете в запасе около 40–50 сил.

Теперь представим, что нужно обогнать грузовик. Сейчас вам потребуются все 100 л.с. мотора. Но их нельзя вот так, сразу, собрать в единый табун. Только постепенно: сначала двигатель раскрутится до 4000 об/мин — и поголовье под капотом увеличится примерно до 70 л.с. Затем стрелка тахометра доберется до отметки 5000 об/мин — в вашем распоряжении окажутся 90 лошадей. И только когда мотор достигнет пика, скажем в 6000 об/мин, педаль акселератора будет повелевать полноценными, обещанными по паспорту 100 лошадиными силами.

В таких ситуациях и вступает в игру кутящий момент (далее КМ). Это «пастух», который на разгоне «сгоняет» в единую упряжку все лошадиные силы мотора. Чем больше КМ, тем быстрее двигатель набирает обороты. И тем скорее собирается в единый кулак вся мощь мотора. И соответственно тем лучше ускоряется автомобиль.

Второй важный нюанс — обороты, на которых мотор развивает максимальный КМ. Скажем максимум выдается при 4000 об/мин. До них и нужно раскрутить двигатель, чтобы рассчитывать на приличное ускорение. А разгоняться придется с тех самых 2000–3000 об/мин, которые поддерживаются при нормальной езде. Здесь-то и теряется время, столь драгоценное при том же обгоне.

Другое дело, если максимальный КМ двигатель выдает, скажем, при 2000 об/мин. Тогда нет проблем. Вы просто давите на газ, и машина сразу напористо набирает ход, не теряя времени на раскрутку мотора. Теперь ясно, почему выгодно, чтобы двигатель выдавал много КМ на низких оборотах? И почему «…очень хоpошо, что мотор развивает максимальные 200 Hм всего пpи 1750 об/мин»? В последнем контексте упор делается не столько на КМ как таковой, сколько на завидно малые обороты, при которых он развивается. Такие двигатели называют «тяговитыми».

Кстати КМ впрямую зависит от литража. Наименее тяговиты моторы малолитражек. Например, на ВАЗ 2108 с объемом двигателя 1,5 л и ниже хороший КМ не получишь. Их водители часто переключаются на более низкие передачи, чтобы искусственно поддерживать высокие обороты. В противном случае мотор, как говорят автомобилисты, не тянет. Чтобы здесь получить «момент на низах» необходимо увеличивать объем двигателя.

Сообщение mty » 20 апр 2011, 11:05

Какую мощность развивает конь в упряжке? Странно, но средняя лошадь выдает при длительной работе только 0,8 л.с.; во всяком случае, именно такой показатель закладывали (и закладывают) обычно в инженерные и экономические расчеты по гужевому транспорту и пр. Считается также, что мужчина средних лет и обычной физической подготовки развивает (опять же при длительной работе) около 0,1 л.с. Немного, но и человек, и лошадь способны напрячься и несколько секунд выдавать гораздо больше – в разы. Конь вытаскивает телегу, застрявшую в разбитой колее, а моторчик внутреннего сгорания мощностью в 2 (две!) л.с. просто глохнет. Крутящего момента не хватило…

Крутящий момент в Википедии — http://ru.wikipedia.org/wiki/Момент_силы (скопируйте все ссылку)

Золотое правило механики
Так что же такое крутящий момент и как он связан с мощностью двигателя? Вспомните среднюю школу: мощность определяется произведением силы на скорость (с какими-то коэффициентами в зависимости от единиц измерения) – для поступательного движения. Допустим, тянете вы груз с усилием в 12 кг и со скоростью 1 м/сек. (3,6 км/ч); тогда ваша мощность – 12 кгм/сек. То есть, 0,16 л.с.[Европейская (парижская) лошадиная сила считается 75 кгм/сек. Англо-американская практика вся запутана футами и фунтами, так что британская лошадиная сила (bhp) равна 1,0139 л.с. по «континентальному» счету.]; неплохо. Космический ракетный двигатель развивает тягу в 100 т при скорости 12 км/сек., значит, его мощность – 16 млн л.с.!

Или же мощность определяется произведением крутящего момента [В свою очередь крутящий момент (он имеет смысл при вращательном движении) равен произведению силы на плечо ее действия. Когда к рычагу плечом в 1 м прилагается усилие в 10 кг (перпендикулярно плечу!), то тем самым создается крутящий момент в 10 кгм. Или в 98 Нм – кому как нравится.] на частоту вращения вала – для вращательного движения. Вот и все, остальное – арифметика. Если на валу мотора при 6000 мин-1 (в просторечии оборотов в минуту) замерен крутящий момент в 10 килограммометров, то его мощность равна 83,775 л.с. Или 61,6 кВт – в других единицах измерения [Один кВт равен 1,36 «континентальной» л.с. – даже в Африке.]. Причем неважно, о каком именно двигателе идет речь – о паровой машине, газовой турбине, поршневом д.в.с. или электромоторе; арифметике без разницы.

Момент силы F на плече R; крутящий момент равен F x R
И что же нашему брату, автомобилистам, нужно – мощность двигателя или его крутящий момент? Вот притча: вынесли вы на рынок картошку и хотите сбыть ее по 35 руб. за кг. Вроде как главное для вас – хорошая цена. Продали пару кило – по 35, а больше не берут; дорого. Тут-то и выясняется, что для вас важна не столько цена – за кг, – сколько общая выручка от продажи 2 центнеров картошки.

Так и с моторами: нередко автомобилисты заявляют, что для них главное – момент, тяга, а мощность – дело десятое. Ровно наоборот – как в старом анекдоте: дай нам, Господи, мощность, а крутящий момент мы уж как-нибудь сами…

Пусть микролитражный моторчик развивает 10 л.с. при 6 тыс. оборотов. То есть, крутящий момент на его маховике – 1,2 кгм (11,7 Нм). Вам нужно 100 Нм? Ради Бога: ставим понижающий редуктор (с передаточным числом 8,55), – и вот вам 100 Нм на выходном валу [Забудем пока о (неизбежных) потерях мощности в редукторе.]. Причем мощность – за вычетом потерь – остается, естественно, той же. Хотите 1000 Нм? Пожалуйста, возьмите редуктор с передаточным числом 85,5; вопрос подбора шестеренных пар…

Но! При моменте в 100 Нм на выходном валу редуктора его обороты уже не 6000 мин-1, а только 700 с небольшим. Золотое правило механики: выигрывая в крутящем моменте (в силе), проигрываем в частоте вращения (в скорости). А 1000 Нм вы получите и вовсе при 70 мин-1; слишком медленно. Так вы хотите и крутящий момент, и обороты! И рыбку съесть, и не поцарапаться. Вам нужно продать по 35 руб. не 2-3 кг картошки, а много. Так и скажите: для меня главное – выручка. Для меня главное – мощность двигателя.

Мощность
Допустим, катите вы в легковушке по ровной дороге с усовершенствованным покрытием; скорость постоянная – 100 км/ч. Тяга от двигателя в пятнах контакта ведущих колес с ходовой поверхностью в сумме как раз покрывает силы сопротивления воздуха и качения покрышек; для вашего авто (с его аэродинамикой, весом, шинами и давлением в них): положим 54 кг. То есть, крутящий момент на оси (при радиусе качения колес, скажем, 265 мм) равен 140 Нм, обороты колес – около 1000 мин-1, а расходуемая мощность – 1500 кгм/сек. или 20 л.с. С учетом потерь в трансмиссии – от маховика до пятна контакта – от мотора требуется мощность около 22,5 л.с.; легко.

А чтобы ехать на две «сотни»? При удвоении скорости, силы сопротивления возрастают примерно вчетверо – по квадрату. Иначе говоря, потребная мощность увеличивается в 8 раз (4 х 2) – по кубу скорости! От двигателя нужны теперь 170-180 л.с. на маховике, поэтому далеко не каждый автомобиль способен набрать скорость в 200 км/ч.

Это – при равномерном движении; а если вы хотите еще и разгоняться (или идти на подъем), необходима свободная мощность. Скажем, те же 22,5 л.с. на скорости 100 км/ч – плюс еще 10 л.с. на ускорение физического тела; II закон Ньютона. Или 50 л.с. – тогда разгон энергичнее.

Как видите, и скорость автомобиля, и динамика его разгона зависят от мощности двигателя; как же ее поднять? Держать крутящий момент до высокой частоты вращения вала. Скажем, довести обороты того же микролитражного моторчика до 12 тыс. – при неизменном моменте в 11,7 Нм. Значит, его мощность увеличивается ровно вдвое – до 20 л.с. В общем, тут такое соотношение:
P = 1/716,2 M x n,
где P – мощность двигателя (л.с.) при n мин-1, M – его крутящий момент (кгм) при тех же оборотах. А 1/716,2 – просто коэффициент размерности.

К сожалению, повышать частоту вращения вала поршневого двигателя очень непросто: силы инерции, нагрузки, трение. Ведь если раскрутить мотор от 6000 до 12000 мин-1, то силы инерции, которые нагружают детали конструкции, возрастают вчетверо. Нелинейно – по квадрату оборотов. И когда 2,4-литровые «восьмерки» в Формуле 1 развивают максимальную мощность при 19500 мин-1, то силы инерции при такой частоте выше, чем при 6 тыс. оборотов, вовсе не в 3,25 раза. А в 3,25 х 3,25 = 10,5 раз! Внутреннее трение нарастает еще быстрее (от 6 до 19,5 тыс. раз в 35); к тому же ухудшается наполнение цилиндров топливовоздушной смесью – и крутящий момент неотвратимо падает. Поэтому у каждого двигателя есть точка перегиба на кривой мощности по частоте вращения вала. У каждого своя, но после точки перегиба мощность по оборотам уже не повышается, а наоборот – падает. Не говоря уже об опасности перекрутить мотор и разрушить его стремительно нарастающими силами инерции.

Есть и другой путь: увеличивать крутящий момент. Тут главный прием – наддув: прокачивайте через ваш моторчик вдвое больше воздуха (и соответственно горючего), и крутящий момент повысится, грубо говоря, в 2 раза – при тех же оборотах. И всего делов. Правда, нарастают тепловые нагрузки, возникают другие головные боли…

Теперь забудем про редукторы; вы нередко видите графики крутящего момента и мощности двигателей по оборотам – так называемая внешняя скоростная (внешняя – потому что при полном «газе», а скоростная – поскольку по скорости вращения вала) характеристика. Так вот, вам достаточно видеть одну из кривых – либо момента, либо мощности; все равно. Другая восстанавливается из первой – и наоборот. Их приводят обе просто для удобства, – чтобы вам не заниматься сложнейшими арифметическими расчетами.

Скоростная характеристика бензиновой «шестерки» GS450h: наибольший крутящий момент при 4800 мин-1, влево он уменьшается. А ниже 1000 оборотов лучше вообще не опускаться
То есть, связь между крутящим моментом, оборотами вала и мощностью двигателя однозначная – как между длиной основания треугольника, его высотой и площадью. Независимо от того, прямоугольный он, косоугольный и какого цвета.

Скоростная характеристика тягового э-мотора Lexus GS450h: наибольший крутящий момент при 0 оборотов!
И забавно, когда фирменный пресс-релиз прокалывается по простейшему правилу, – скажем, на web-сайте новоявленной калифорнийской компании DiMora Motorcar. По проекту ультра-люкс-седана Natalia, максимальная мощность 16-цилиндрового(!) мотора Volcano превышает 1200 л.с. Наибольший крутящий момент – 1220 Нм (900 футо-фунтов); однако тут не сходится. По сведениям от DiMora же, «отсечка» срабатывает на 6500 мин-1; значит, максимальная мощность достигается при 6000-6250. Но тогда наибольший момент ну никак не меньше 1400 Нм, а вернее все 1500. Арифметика: 2 х 2 = 4 и в солнечной Калифорнии.

Читать еще:  Что чаще всего ломается в двигателе

Эластичность двигателя
Взгляните еще раз на кривую крутящего момента: она дает ключевую характеристику двигателя – его эластичность. Надо сказать, у автомобильных д.в.с. кривая неблагоприятная – то ли дело у газовой турбины, паровой машины, электромотора. Они выдают наибольший крутящий момент при низких оборотах – и даже при полной остановке вала. То есть, как лошадь: замедляют ход, напрягаются – и вытаскивают повозку. А попробуйте остановить вал ВАЗовской «четверки» или 12-цилиндрового двигателя Rolls-Royce – они попросту заглохнут.

График крутящего момента у обычного д.в.с. левее 1000 мин-1 обычно и не рисуют; он не способен работать на оборотах ниже «холостого хода». Тогда как у э–мотора кривая поднимается к 0 оборотов – примерно по гиперболе; исключительная эластичность. При увеличении нагрузки (крутой подъем и т.п.) э–мотор теряет обороты – и увеличивает крутящий момент; сопротивляется до упора! А д.в.с. при падении частоты вращения (ниже «пиковых» по крутящему моменту) сопротивляется все слабее – и в конце концов останавливается. Две большие разницы, как говорят в Одессе.

Отсюда, кстати, идея «гибридных» бензин-электрических силовых агрегатов: тяговый э–мотор принимает на себя нагрузку именно там, где д.в.с. беспомощен. На самых «низах»; а обычно автомобильный двигатель выдает наибольший крутящий момент где-то при промежуточных частотах вращения вала. Причем у «остро» настроенного мотора пик момента сдвинут к высоким оборотам, а при низких он тянет слабо. Тогда и говорят о выраженном «подхвате»; ничего тут хорошего нет.

Так что же все-таки важнее – крутящий момент или мощность? Ответ: разумеется, нужен крутящий момент – в широком диапазоне оборотов! В том числе и при самой высокой частоте вращения вала, – то есть, мощность.

Популярные автомобили

Мощность и Момент

Попробуем понять что такое момент и мощность, чем они отличаются, как они связаны, в чем измеряются. Выведем формулу соотношения мощности и момента. Сравним дизель с бензиновым двигателем. Выясним что в Nascar нужен момент, а в Formula 1 мощность. Рассмотрим графики характеристик идеального и нескольких реальных двигателей. Но для начала вспомним что из себя представляют по определению момент и мощность.

По науке

Для совершения работы нужно приложить силу. Например, для перемещения объекта на какое-то расстояние необходимо приложить силу, тем самым совершив работу по перемещению этого объекта. Сила это производная от работы по расстоянию. (В общем случае — производная это скорость изменения функции)

Работу можно выполнить за разное время, можно быстро, а можно медленно. Для характеристики времени выполнения работы вводят понятие мощности. Другими словами мощность характеризует скорость совершения работы. Чем быстрее выполняется работа, тем больше мощности нужно затрачивать. Мощность это производная от работы по времени.

Итак, когда сила применяется для линейного перемещения тела на расстояние это называют работой. Но, например, для вращения вала тоже нужно прикладывать силу, но линейного перемещения при этом не происходит. Такое перемещение называют угловым (поворот вала), а такую работу называют (вращающим или крутящим) моментом. То есть сила, приложенная к валу и вращающая его совершает работу. Момент это работа по вращению вала.

Применительно к ДВС

В ДВС воздушно-топливная смесь сгорающая в камере сгорания давит на пошнень с определенной силой и поршень вращает коленвал, создавая на нем крутящий момент. При этом коленвал вращается с определенной (угловой) скоростью. Развиваемая при этом мощность двигателя будет произведением момента на число оборотов (за единицу времени). Для увеличения мощности нужно увеличивать момент или увеличивать скорость вращения коленвала. Для увеличения момента нужно прикладывать больше силы к поршню, то есть сжигать больше топлива, но ведь мы итак работаем на оптимальном составе воздушно-топливной смеси и ее обогащение не даст улучшения. Но мы можем поджигать смесь чаще, увеличивая количество оборотов. Выходит что пик мощности всегда будет на высоких оборотах, пока он не упрется в конструктивные ограничения (зависание клапанов, слишком большие инерционные потери и т. д.). Повышение максимальных оборотов это один из способов достижения высокой мощности двигателя.

Что же лучше момент или мощность?

С одной стороны крутит именно момент. Так почему же, например, трактор, имея ошеломительный момент на колесах, совсем не валит? Дело в том, что момент можно легко изменять. Мы каждый день это делаем переключая передачи трансмиссии (у некоторых они переключаются сами), передавая при этом разный момент на колеса при неизменном моменте на валу двигателя. А что при этом происходит с мощностью? В силу того что мощность это произведение момента на угловую скорость, то мощность остается неизменной, ведь угловая скорость падает прямо пропорционально росту крутящего момента.

В итоге получается, чтобы совершить работу по перемещению автомобиля массой m из точки А в точку Б нужен достаточный момент (для преодоления сил трения и сопротивления качению), чтобы делать это быстро нужна мощность.

В чем измеряют

Хотя обычно принято мощность считать в ваттах, автомобилисты исторически используют [лошадиную силу], которая примерно равна 735 ваттам. То есть мощность двигателя в 100 л. с. соответствует 73,5 КВт, а двигатель заряженного авто с мощностью свыше 1000 л.с. соответствует почти одному МегаВатту.

Как соотносятся

Итак, формула для мощности: P = M • w, где P — мощность [Вт], M — момент [Н•м], w — угловая скорость [рад/с]. Приведя угловую скорость к оборотам в минуту получаем: RPM = 60 * w. Помня что лошадиная сила это 735 Вт, получаем соотношение для мощности в лошадиных силах:
Pл.с. = M • RPM / 7018
Отметим, что на 7018 оборотах в минуту мощность и момент численно совпадают. Зная мощность можно определить момент и наоборот.

Графики характеристик

Для измерения характеристик двигателя используют динамометрический стенд. Хотя вернее будет сказать что он замеряет момент, а мощность высчитывают по приведенной выше формуле. В идеале двигатель должен иметь постоянный во всем диапазоне момент и, соответственно, линейно растущую мощность.

В реальных же условиях на малых оборотах наполняемость цилиндров не большая из-за малого разряжения, а на больших оборотах сказываются другие проблемы. Посмотрим на характеристики двигателя Renault K7M (Logan).

Видно, что характеристика момента линейна лишь в небольшом диапазоне рабочих оборотов (этот диапазон называют полкой момента). Для увеличения полки момента используют различные решения. Для улучшения наполнения цилиндров применяют до пяти клапанов на цилиндр. На высоких оборотах кулачки распредвала настолько быстро открывают клапана, что пружины клапанов не успевают вернуть клапан в закрытое положение, говорят что клапана зависают. Для решения этой проблемы уменьшают массу клапанов, толкателей и пружин. Или, например, отказываются от пружин для закрытия клапанов (десмодромный механизм). В двигателях формулы 1 используют пневмопривод. Также на высоких оборотах клапана открываются на меньшее время, но при этом через двигатель приходится прогонять больший объем смеси. При этом оказывается полезным изменение фаз газораспределения и увеличение угла перекрытия впускных и выпускных клапанов для лучшей продувки цилиндров. Для этого служат системы типа VTEC, VVTI, Vanos и т.п. У каждого производителя они называются по-разному, но выполняют одну суть — смещают положение распредвалов относительно коленвала и относительно друг друга, позволяя изменять фазы газораспределения на нужных оборотах. Касательно нашего вопроса это позволяет увеличить момент на верхах, расширив полку момента.

Бензин или Дизель?

Бензин, как известно, имеет большую температуру горения и выделяет при этом больше энергии. Кроме того, дизельный двигатель имеет более ограниченный диапазон оборотов, стало быть большой мощности с дизеля не снять. Поэтому дизель оптимизирован под момент (длинные шатуны и большой ход поршня). А чтобы он хоть как-то ехал на него обычно устанавливают турбину, ведь дизель не имеет проблем с детонацией при увеличении степени сжатия. Приведу в пример характеристики двигателя Opel Z13DTH (Astra-H, Corsa-D) — это турбо-дизель с объемом 1.3 литра.

Двигатель имеет довольно малую мощность в 90 л.с. (на 4000 об/мин), но зато момент в 200 Нм. Тут будет уверенный подхват с низов, но малая максимальная скорость автомобиля (172 км/ч для Astra при 1250 кг массы). Малая мощность характеризуется резким падением момента на максимальных оборотах и, собственно, невысокими максимальными оборотами.

Nascar или Formula1?

Сравнение двигателей Nascar и Formula1 это сравнение момента и мощности. Сравним наскаровский V8 и формульный V8 (с 2006 до 2013 года) двигатели. Оба атмосферные, бензиновые. Объем двигателей различается более чем в два раза — 5.8 литров у Nascar против 2.4 литров у Formula1. Крутящий момент: Nascar — 706 (@7500) Н•м, Formula1 — 290 (@17000) Н•м. Однако максимальная мощность различается не столь существенно: 825 (@9000) и 755 (@19250) л.с. соответственно. За счет чего же формульный двигатель при более чем в два раза меньшем объеме выжимает сравнимую мощность? За счет максимальных оборотов. Формульный двигатель очень оборотистый — рабочие обороты доходят до 20000 оборотов в минуту, что позволяет ему имея малый момент иметь сравнительно большую мощность.

Максимальная мощность и максимальный момент

Что же означает максимальная мощность и когда она доступна.
Все наверняка знают какую максимальную мощность, которую выдает их двигатель. И при сравнении разных авто количество кобыл под капотом является если не основным, то весьма существенным фактором. Возьмем, к примеру, бензиновый двухлитровый двигатель от Mazda Skyactiv. Мотор имеет мощность 155 л.с., правда на 6000 оборотах в минуту.

А как часто вы раскручиваете мотор до таких оборотов? Каков при этом будет расход топлива? Взяв «городской» диапазон оборотов 3-4 тыс. об/мин, с этого мотора можно снять мощность от 75 до 110 л.с., что в полтора раза ниже максимальной. Зато в этот диапазон оборотов входит максимум момента. Получается, что максимальный момент в городском цикле реализуется гораздо чаще, чем максимальная мощность. Последняя понадобится если мы решим участвовать в гонках, ну или хотя-бы выедем на автобан без скоростных ограничений. Кстати, красная зона у этого мотора начинается с 6500 об/мин и характеризуется падением мощности и значительным провалом в моменте. Не говоря о вреде таких оборотов для двигателя, можно однозначно сказать что езда на таких оборотах крайне неэффективна.

Резюмируя

В итоге имеем, что мощность это производная от момента. Двигатель развивает момент, а мощность характеризует скорость вращения вала при выдаваемом моменте. Мощность показывает максимальную скорость, которую сможет развить автомобиль. Момент же показывает «тяговитость», т.е. характеризует способность двигателя «тянуть» автомобиль, и чтобы понять насколько быстро двигатель тянет машину, вводят понятие мощности.

Крутящий момент двигателя — все что вы хотели знать но боялись спросить

Почти в каждой статье на CARakoom пишут про крутящий момент такого или иного двигателя. Но что значит этот крутящий момент? Зачем он вообще нужен.

Читать еще:  2 тактный двигатель и 4 тактный высокие обороты

Почти в каждой статье на CARakoom пишут про крутящий момент такого или иного двигателя. Но что значит этот крутящий момент? Зачем он вообще нужен? Разве лошадиные силы – не главный показатель? Давайте разберемся вместе! Благодаря этому полезному пособию вы сможете блеснуть умом в компании друзей.

Крутящий момент не так уж и важен. Хотя, погодите-ка, крутящий момент очень важен! Так что же это вообще такое? Признаюсь честно, несмотря на то, что я обожаю автомобили и всё, что с ними связано, я и сам-то не особо понимаю, что такое крутящий момент. Да, в интернете есть куча умных определений, и я прекрасно знаю, каким образом он ощущается при езде. Но что же он на самом деле из себя представляет? Разве количество Л.С. – не единственный важный показатель? Я долго разбирался с определением крутящего момента, подготовил несколько доступных графиков и, наконец, счёл возможным поделиться своими наработками с вами.

Первое, к чему я пришел – лошадиные силы являются единственным важным показателем. Не спешите писать гневные комментарии, позвольте мне объяснить. Крутящий момент очень важен, но не сам по себе. Чтобы машина разгонялась, нужно приложить определенную силу: F=Ma (Сила = Масса х Ускорение). Крутящий момент – это сила, но у него отсутствует временной показатель. Для наглядности приведу пример. Представьте, что вы приложили 200 Нм крутящего момента к железному ведру. Это, конечно, круто, но этого не хватит, чтобы отправиться на нем в путешествие.

Просветление ко мне пришло благодаря… свету! Обычная лампочка потребляет энергию, которая измеряется в ваттах – величине, названной в честь Джеймса Ватта, который, помимо того, подарил нам величину, называемую Лошадиными Силами. Ну, во всяком случае, так говорят достоверные источники. В электричестве, ватт определяется как произведение Вольт на Амперы, то есть напряжение, умноженное на ток. Таким образом, при напряжении в 110 Вольт, 60-ваттная лампочка имеет ток, равный 0.55 Ампер, а при напряжении в 220 Вольт, та же самая лампочка имеет ток в 0.275 Ампер. Грубо говоря, чем выше напряжение, тем «медленнее» ток при той же самой «мощности».

Лошадиные Силы измеряются по той же схеме. ЛС=(КМ*ОБ/М)/5252. Крутящий момент нам известен, обороты тоже, а 5252 – это единица для перевода, о которой даже и думать не стоит. Для проведения аналогии с электричеством, представим, что Лошадиные Силы – это Ватты (кстати, во многих странах мощность двигателя измеряется именно в киловаттах), крутящий момент – напряжение, а обороты в минуту – ток. Таким образом, при 135 Нм крутящего момента на 3151 об/мин, двигатель будет выдавать 60 Л.С. Для получения тех же самых шестидесяти лошадиных сил, я могу удвоить обороты и вдвое уменьшить крутящий момент, или удвоить крутящий момент и вдвое порезать обороты. Чувствуете?

В электричестве, Ватт – самая важная величина, ведь благодаря ей горит свет. Можно иметь напряжение без тока, или ток без напряжения, но для того, чтобы была энергия, необходимо и напряжение, и ток.

С крутящим моментом та же самая тема: необходимы лошадки и обороты. Представьте себе двигатель, который имеет крутящий момент 1350 Нм, достигаемый при всего лишь 500 об/мин. «Круто же!» — скажете вы. Ничего подобного. Подставьте эти показатели в нашу формулу, и вы поймете, что такой двигатель будет выжимать всего 95 Л.С. Крутящий момент – это сила, но эта сила не будет работать до тех пор, пока к ней не добавится вращение (об/м). Работа должна производиться в течение определенного времени, только тогда мы получим энергию и ускорение, а ускорение – это, по сути, и есть самый главный показатель автомобиля. И да, когда я говорю «ускорение», я имею в виду переход из статичного состояния в динамичное. В данном случае, речь идет о физическом определении этого понятия, а не о разгоне до сотни и т.д.

Итак, если важны только лошадиные силы, то в чем суть дизельных движков? Давайте начнём по порядку:

1. Мы знаем, что автомобиль ускоряется благодаря лошадиным силам
2. Мы знаем, что крутящий момент, умноженный на обороты в минуту (и всё это поделённое на 5252) создаёт эти лошадиные силы

То есть, чем быстрее вращается движок, тем больше лошадиных сил. Логично? Вполне. Теперь давайте попробуем научиться читать подобные графики динамики.
(График взят из журнала Automobile)

1. Лошадиные Силы – это переменная, зависящая от скорости двигателя, это мы узнали только что, но скорость двигателя имеет значительно больший потенциал, чем крутящий момент (двигатель может раскручиваться, например, до 7000 об/м, при этом крутящий момент может составлять лишь 200-400 Нм). Это значит, что большой показатель лошадиных сил будет следствием большого количества оборотов в минуту, и даже небольшой крутящий момент, приложенный к большому количеству оборотов, в итоге выдаст неплохую мощность. Именно поэтому болиды Formula 1, или гоночные мотоциклы… в общем любые транспортные средства, оснащенные двигателями с высокой оборотностью, имеют так много мощности.
2. Кроме того, значение имеет где и каким образом вы производите крутящий момент. Дизельные движки производят много крутящего момента. Очень много. Но они выжимают его при низких оборотах. Этот низкооборотный крутящий момент как раз таки и создает то ощущение, которое вы испытываете при езде на огромном ленивом V8 или дизельном движке. Но ощущение это в первую очередь связано не с крутящим моментом, а именно с мощностью двигателя.

Для наглядности я выбрал небольшой современный движок от Volkswagen – CJAA 2.0 TDI. Максимальный крутящий момент двигателя, который составляет 319 Нм достигается при 1700 об/мин, а при 2600 об/мин он начинает угасать. Это является следствием того, что дизельные движки способны нагнетать огромное давление воздуха и не поджигать топливо до тех пор, пока они не будут готовы к этому. При таком крутящем моменте мы имеем 76 л.с. на 1700 об/мин, 90 л.с. при 2000 об/мин и 116 л.с. при 2600 об/мин. На графике заметно, как линия лошадиных сил резко взмывает вверх в том месте, где достигается максимальный крутящий момент.

Сравним его с бензиновым двигателем аналогичного объема. В данном случае рассмотрим двигатель Subaru FA20. Максимальная мощность движка составляет 200 л.с, таким образом, можно сказать, что он более «спортивный», в сравнении с CJAA. Однако, на 1700 об/мин FA20 выдает всего 142 Нм крутящего момента, что соответствует лишь 34 л.с. При 2000 оборотах крутящий момент составляет 155 Нм и выдает 43 л.с., при 2600 – 185 Нм и 68 л.с. По факту, FA20 не выжимает больше лошадиных сил, чем CJAA ровно до тех пор, пока не разгонится до 3900 об/мин. Примерно на таких оборотах мы с вами ездим на работу и по магазинам. Таким образом получается, что двигатель Subaru BRZ страдает от нехватки мощности, при том, что у него её вполне достаточно. Нонсенс, но факт.

Посмотрите на этот график. Тут вы видите сравнение показателей двух рассмотренных двигателей. Как можно заметить, кривая лошадиных сил дизельного движка взмывает вверх на низких оборотах.

На данном графике оранжевым цветом обозначена зона, в которой TDI выжимает больше мощности, чем «более мощный» двигатель FA20.

Обратите внимание на интервал от 900 до 4500 об/мин, на котором TDI выдает значительно больше лошадиных сил. Две сотни лошадей, конечно, будут быстрее, чем 136, но пока BRZ медленно лениво разгоняется до необходимых оборотов, TDI уже улетит в космос. Этим и объясняется явление «турбоямы»: когда турбина не работает, двигатель не выдает нормального крутящего момента, следовательно у него мало мощности и он плетется как улитка. Когда турбина входит в дело, движок начинает производить крутящий момент, мощность и скорость.

Другой способ разобраться в этом явлении состоит в рассмотрении лошадиных сил на фоне определенного интервала оборотов, скажем, 1100-4000 об/мин, то есть средней оборотности ежедневных поездок. В данной зоне средний показатель мощности FA20 составляет 67 л.с, а CJAA показывает 107 л.с. Это говорит о том, что если бы движок BRZ не разгонялся до 4000 об/мин, то юркий дизель рвал бы его по мощности почти в два раза! Именно поэтому крутящий момент ощущается таким «быстрым». Быстрее разгоняться будет тот автомобиль, чей двигатель проведет больше времени на более высоком среднем показателе лошадиных сил.

Проблема состоит в том, что, как я уже ранее говорил, оборотность двигателя – величина более широкая, чем крутящий момент, а это значит, что количество крутящего момента, который можно добавить на низких оборотах, сильно ограничено. На практике, путём увеличения скорости двигателя можно получить больше мощности, чем путём увеличения крутящего момента. При этом, увеличить скорость двигателя гораздо дешевле и проще, чем поднять крутящий момент. Именно по этой причине дизели, как правило, совершенно не подходят для гоночных автомобилей.

Мы сравнили оборотистый спортивный двигатель FA20 и медленный дизельный TDI, пришло время сравнить что-то другое. Теперь мы посмотрим на три шестицилиндровых двигателя от внедорожников. Синяя кривая отвечает за Toyota 1FZ-FE 4.5 – последний рядный шестицилиндровый двигатель от Toyota, установленный в Land Cruiser. Красная кривая – Toyota 1GR-FE 4.0 – рабочая лошадка от Tacoma. И, наконец, зеленая линия – GM LFX 3.6 – V6, сидящий под капотами Colorado и Canyon.

1. Двигатель 1FZ-FE (синяя линия) – настоящий олдскул.

Его большой объем, распредвал и дизайн головки блока цилиндров созданы для того, чтобы производить большую мощность на низких оборотах. Благодаря этому, на таком автомобиле, как говорится, можно пни выкорчевывать. Несмотря на то, что среди трех двигателей данный имеет наименьшее количество максимальной мощности (212 л.с.), он имеет максимальный средний показатель мощности (128 л.с.) в интервале ежедневной езды, достигает своей максимальной мощности на 1800 об/мин и дольше всех держится на этой отметке. Это не значит, что автомобиль быстрый, совсем нет, он та еще улитка, но его показатели позволяют ему успешно разгоняться при высокой нагрузке на низких оборотах. Кроме того он хорош на бездорожье.

2. Двигатель 1GR-FE отличается своим умеренным характером и пытается выстроить баланс между крутящим моментом и лошадиными силами, но на высоких оборотах он выдыхается, и причиной тому является конструкция профиля кулачка.

Движок неплохо показывает себя на низких оборотах. К сожалению, на высоких оборотах наблюдается сильный спад мощности, поскольку двигателю просто не хватает воздуха. В то же время, двигатель имеет тот же самый средний показатель мощности в диапазоне оборотов при ежедневной езде, что и более мощный двигатель GM V6 (115 л.с.)

3. В двигателе LFX сделан упор на лошадиные силы, но благодаря хорошей регулировке кулачка на впуске и выхлопе, а также прямому впрыску, крутящий момент также вполне неплох.

Его «коньком» является тот факт, что он продолжает раскручивать обороты до тех пор, пока не достигнет максимального количества лошадиных сил. Однако, на низких оборотах этот движок менее мощный, чем древний Toyota V6. Средний показатель мощности на оборотах ежедневной езды – такой же, как и у 1GR-FE (115 л.с.), и он развивает 85% своей мощности при 1500 об/мин.

Какой из них лучше? Это зависит от разных факторов. Самый крупный и медленный из них хорош на низких оборотах, но подыхает на высоких. Самый мелкий двигатель выжимает самую большую мощность, но для этого его нужно посильнее раскрутить.

Читать еще:  Вибрация двигателя хендай солярис от чего

В идеале хотелось бы иметь и то, и другое. Хороший крутящий момент на любых оборотах, который мог бы выжать много лошадиных сил. Этого можно добиться увеличением объема двигателя, но тогда он будет неэффективен на низкой нагрузке. Турбонаддув также может решить проблему, но движок будет вёдрами пить топливо.

Дизельные двигатели хороши на низких оборотах, но на высокой скорости они начинают задыхаться, поэтому нам вряд ли когда-либо удастся увидеть спортивный автомобиль на дизельном движке. Если только произойдет какой-нибудь технологический прорыв…

Надеюсь, что эта обучающая статья поможет вам лучше разобраться в понятии крутящего момента и научиться взвешивать все «за» и «против» при выборе двигателя.
Чтобы узнать об автомобильной технике и физике больше, заглядывайте в наше сообщество Tech.

Крутящий момент

Речь сегодня пойдет не о фильме, а о важнейшей характеристике двигателя, которая по-научному называется «внешняя скоростная характеристика», а по-народному: «а какая мощность у мотора?» Казалось бы, все просто, открываешь каталог, находишь значения максимальной мощности и максимального крутящего момента двигателя. Выбираешь какой мотоцикл мощнее и ты – король. Только вот не все так просто.

Что важнее: большой крутящий момент или высокая мощность? Спросите как-нибудь за кружкой пива у друзей. И вы услышите тысячу рассуждений на эту тему, но так и не доберетесь до истины. Сразу скажу, что вопрос поставлен некорректно. Во-первых, важнее для чего? А во-вторых, если понимать, что мощность двигателя – это величина момента, умноженная на обороты, то выяснять, что из них важнее, с точки зрения математики, вообще глупо. А с житейской точки зрения (не математической) все ощущают разницу между двумя двигателями одинаковой мощности. 100 л.с. у чоппера и такая же мощность у спортбайка воспринимаются абсолютно по разному. Более того, абсолютно по-разному воспринимаются два супербыстрых мотоцикла, например, Suzuki GSXR 1300 и Yamaha R1. Любой мотоциклист, протестировав оба байка, скажет, что Hayabusa – это ураган, что она значительно мощнее! Если же загнать их на стенд, то окажется, что они имеют примерно одинаковую максимальную мощность. Это подтверждается и очным заездом на длинной прямой: мотоциклы разгоняются примерно одинаково. Хотя чувства говорят, что Hayabusa однозначно мощнее. Какая же физическая характеристика точно характеризует наше чувственное восприятие «мощности» мотора? Вот тут то все и вспоминают про «момент». И загадочно упоминают: «так у Hayabusa момент какой!». Да, значение максимального крутящего момента у GSXR1300 действительно на 30% больше, чем у R1. И мы это ощущаем, как более «мощный» мотор. А почему «Буса» тогда не обгоняет R1 в очном заезде? Куда же девается преимущество момента в 30%?

Рисунок 1: 1 – пар, 2 – поршень, 3 – шатун, 4 – кривошип, 5 – колесо. L – длина кривошипа.

Давайте попробуем разобраться и в этом. Еще когда не было ни мотоциклов, ни автомобилей, был паровоз. У него поршень через шатун вращал колесо. Это самый наглядный пример для понимания, откуда берется и что он такое, этот крутящий момент (Рис. 1). Расширяющиеся газы давят на поршень, поршень через шатун давит на кривошип. В результате, имеем силу давления поршня, приложенную к ведущему колесу через плечо. Физическая величина, момент силы (крутящий момент), есть произведение силы на плечо, к которому она приложена. И именно, крутящий момент на колесе, поделенный на радиус колеса, дает нам значение силы тяги. Сила тяги (за вычетом противодействующих сил трения) и есть та самая сила, которая, воздействуя на тело (мотоцикл с пилотом), обеспечивает ему ускорение. Так сказал Ньютон в своем втором законе! Для того, что бы ускорение было больше, нужно либо увеличить силу тяги, либо уменьшить вес тела. Подробно об уменьшении веса тела можно прочесть в женских журналах. Мы же подумаем об увеличении силы. Глядя на схему кривошипно-шатунного механизма, нетрудно найти пути увеличения крутящего момента. Вариант первый: увеличить длину кривошипа (L). Крутящий момент возрастет. При этом возрастет и рабочий объем двигателя, так как увеличится ход поршня. Второй путь: каким-то образом увеличить силу давления поршня. Можно увеличить площадь поршня, крутящий момент возрастет, но опять же возрастет рабочий объем двигателя. Как видим, крутящий момент неразрывно связан с рабочим объемом двигателя. Для получения большего крутящего момента без изменения рабочего объема двигателя остается последний вариант: увеличить давление газов на поршень. Для этого нужно улучшить наполнение цилиндра свежей смесью (изменить впуск/выпуск) или увеличить начальное давление в цилиндре (степень сжатия). Можно поступить радикальней и установить наддув. Но в рамках сегодняшней темы мы не будем рассматривать пути форсирования моторов.
А что же такое тогда мощность, и зачем она нам нужна, как характеристика двигателя, если ускорение обеспечивается моментом? Мощность характеризует работу, выполняемую за единицу времени. И чем выше мощность, тем больше работу можно выполнить. Какую работу? Например, по подъему мотоцикла на гору. Быстрее заедет тот, у кого мощность выше. Тут из курса физики известно, что мощность Р = МОМЕНТ СИЛЫ*УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ, то есть, крутящий момент умноженный на обороты. Для тех, кто соберется пересчитать мощность по этой формуле: не забывайте все величины поставить в системе «Си» – мощность в ваттах, момент – в Ньютонметрах, угловую скорость – в радианах в секунду. Если с радианами в секунду сложно, то можно и в привычных оборотах в минуту. Для вычисления мощности в киловаттах можно вывести формулу Р=МНм *обороты в мин/9549.
Пример. Мотор выдает 100 Нм момента при 10000 об/мин, его мощность в киловаттах 100*10000/9549=104,7 (кВт). Типичный мотор литрового спортбайка. Для желающих перевести киловатты в лошадиные силы: 1кВт=1,36 л.с.

Если проанализировать эту формулу, то получается, что чем выше обороты, при которых достигается максимальный момент, тем выше мощность двигателя. При этом покупатели очень ценят, чтобы момент достигался на низких оборотах, а производители очень стараются построить такие двигатели. Парадокс? Нет. На двигателе, у которого достаточно высокий момент присутствует на при низких оборотах, удобнее ездить. Не гонять наперегонки, а именно ездить. Возьмем, к примеру, графики мощности, замеренные на стенде двух совершенно различных мотоциклов: Kawasaki VN2000 (крутящий момент 170 Нм при 3000 об/мин) и R6 (60 Нм при 11800 об/мин). (График 1). Максимальная мощность у них почти одинакова. Представьте себе: едут спокойно два друга на двух таких мотоциклах. Непонятно, конечно, как они подружились столь разные, но едут. При неспешной езде соответственно невысоки обороты двигателя: 2000 у «Вулкана» и 4000 у R6. И вдруг, нужно ускориться! Оба открывают газ и чоппер легко уезжает от спортбайка. Не верите – проверьте. Посмотрите на график. При 2000 об/мин у «большого» мотора – 45 л.с., а при 4000 у «шестисотки» – всего 20 л.с. Через мгновение, когда Vulcan наберет еще 1500 об/мин и раскрутится до 3500, его двигатель будет выдавать уже 85 л.с. Спортбайк же, набрав обороты с 4000 до 8000, сможет использовать только 45 л.с. Что сделает водитель спорта в такой ситуации? Переключится на одну-две передачи вниз, мотор взвизгнет на 12000 об/мин и в распоряжении пилота будут уже 90-100 лошадей. Безусловно, он догонит тяжелый чоппер. Только кому ускоряться удобнее? Один просто «газует» в диапазоне 2-3-х тысяч, а другой использует 2-3 передачи и диапазон оборотов от 4-х до 12-ти тысяч. Так что секрета или парадокса нет никакого: если в данный момент времени, при данных оборотах крутящий момент у какого-то двигателя выше, то и доступная мощность у него выше. А значение максимальной мощности – это всего лишь одна точка на графике, которая реально говорит очень мало, а характеризует всего лишь показатель максимальной скорости в строках ТТХ. И производители мотоциклов этим пользуются. Да еще и привирают слегка. Какой самый мощный спортбайк из «шестисоток»? По заявленной мощности – это Yamaha R6.
Давайте для наглядности сравним графики мощности двух спортбайков, например, Yamaha R6 ‘07 и Honda CBR600RR ‘07 (График 2). После замеров на стенде я с удивлением обнаружил, что максимальная мощность на колесе у них примерно одинакова: 103-104 л.с., хотя заявленные значения следующие: 133 л.с. у Yamaha против 120-ти у Honda. Заявленная мощность снималась с коленвала, но почему у R6 до колеса дошло столько же, как и у CBR600RR? Похоже, что на Yamaha дописали лишний десяток сил «из маркетинговых соображений». Также, из маркетинговых соображений, в прессе рекламировали, что мотор крутится до 18000 об/мин, и даже тахометр показывает нечто подобное, однако реально снятые значения говорят об отсечке при 15800 об/мин, что всего на 500 об/мин больше, чем у Honda. Если внимательно проанализировать графики мощности, то они совпадут с субъективными ощущениями. R6 до 10000 «не едет»! Во всем диапазоне от 3-х тысяч и до максимальных оборотов Honda имеет преимущество в 5-10 л.с. И только при чисто гоночной езде в диапазоне 12-15 тысяч они имеют приблизительно равные возможности. Если быть до конца честным, то двигатель Yamaha R6 с двумя провалами (на 7-ми и 12-ти тысячах) никак нельзя считать лидером в своем классе.

Другой пример правильного маркетинга. KTM RC8 так стремились сделать самый мощный мотоцикл в классе, что по заявленной мощности обогнали DUCATI 1098. (График 3). Справедливости ради следует отметить, что по максимальной мощности таки обогнали. Но если сравнить всю характеристику двигателя, а не только одну точку, соответствующую максимальному значению, то можно обнаружить что DUCATI мощнее всегда. Когда бы вы не повернули газ: на 5-ти или на 8-ми тысячах оборотов, у DUCATI крутящий момент (а, соответственно, и мощность) будут выше, и только лишь в диапазоне 9900-10200 об/мин у КТМ есть преимущество. Формально КТМ не лукавит: максимальная мощность у него выше, но реально во всем диапазоне оборотов он слабее. Сможете ли вы ехать все время, держа обороты в диапазоне 9900-10200, чтобы реализовать такое преимущество? Думаю, вряд ли.
Ну, и напоследок, еще одно спортивное преимущество более высоко оборотистого мотора. Представьте себе, что есть два мотоцикла приблизительно равной мощности: Suzuki GSX-R1000 ’04 и YAMAHA R1 ’04. (График 4). Если сравнить графики мощности, то видно, что на низких и средних оборотах преимущество у GSX-R1000. И это подтверждается субъективными ощущениями. Однако если подобрать звезды на мотоциклах так, чтобы при одинаковых оборотах у них была одинаковая скорость, то получим два графика: зависимости мощности от оборотов и от скорости, в одном. О чем он нам говорит? Если разгоняться с 200 км/ч, то мощность у мотоциклов будет одинаковая и ускорение одинаковое, однако при достижении 235 км/ч на Suzuki придется включить следующую передачу, а Yamaha продолжит разгон, не переключаясь до 260-ти км/ч. Естественно, переход на высшую передачу уменьшает реальный крутящий момент на колесе и ускорение будет ниже. Правильный подбор передаточных чисел для полной реализации мощности двигателя – это так же важно, как и сама мощность. Но про правильный подбор передаточных чисел – это отдельная тема…

Текст: Валерий Гарбарук
Иллюстрации: предоставлены автором

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector