Крутящий момент двигателя: что это такое

Крутящий момент мотора (он же вращательный момент, или момент силы) – это векторная физическая величина, характеризующая вращательное действие силы на твёрдое тело и равная векторному произведению радиус-вектора, который проведёт от оси вращения к точке приложения силы. В физике момент силы понимается в качестве «вращающей силы». В общепринятой системе единиц единицей измерения момента силы стал Ньютон-метр (Н.м). 1 Н.м равен силе в 1 Ньютон, приложенной к рычагу в 1 метр.

Крутящий момент и лошадиная сила

Автолюбители нередко дискутируют друг с другом: чей двигатель мощнее. Но иногда и не представляют при этом, из чего складывается данный параметр. Общепринятый термин «лошадиная сила» был введён изобретателем Джеймсом Уаттом в XVIII веке. Он придумал его, наблюдая за лошадью, которая была запряжена в поднимающий уголь из шахты механизм. Он рассчитал, что одна лошадь за минуту может поднять 150 кг угля на высоту 30-ти метров. Одна лошадиная сила эквивалентна 735,5 Ватт, или 1 кВт равен 1,36 л.с.

В первую очередь, мощность любого мотора оценивают в лошадиных силах, и лишь потом вспоминают о крутящем моменте. Но эта тяговая характеристика тоже даёт представление о конкретных тягово-динамических возможностях автомобиля. Крутящий момент является показателем работы силового агрегата, а мощность – основным параметром выполнения этой работы. Эти показатели тесно связаны друг с другом. Чем больше производится двигателем лошадиных сил, тем больше и потенциал крутящего момента. Реализуется этот потенциал в реальных условиях через трансмиссию и полуоси машины. Соединение этих элементов вместе и определяет, как именно мощность может переходить в крутящий момент.

Простейший пример – сравнение трактора с гоночной машиной. У гоночного болида лошадиных сил много, но крутящий момент требуется для увеличения скорости через редуктор. Чтобы такая машина двигалась вперёд, надо совсем немного работы, потому что основная часть мощности используется для развития скорости.

Что касается трактора, то у него может быть мотор с таким же рабочим объёмом, который вырабатывает столько же лошадиных сил. Но мощность в этом случае используется не для развития скорости, а для выработки тяги (См. тяговый класс). Для этого она пропускается через многоступенчатую трансмиссию. Поэтому трактор не развивает высоких скоростей, зато он может буксировать большие грузы, пахать и культивировать землю, и т.д.

В двигателях внутреннего сгорания сила передаётся от газов сгорающего топлива поршню, от поршня – передаётся на кривошипный механизм, и далее на коленчатый вал. А коленвал, через трансмиссию и приводы, раскручивает колёса.

Естественно, крутящий момент двигателя не постоянен. Он сильней, когда на плечо действует бо́льшая сила, и слабей – когда сила слабнет или перестаёт действовать. То есть, когда водитель давит на педаль газа, то сила, воздействующая на плечо, повышается, и, соответственно увеличивается крутящий момент двигателя.

Мощность обеспечивает преодоление всевозможных сил, которые мешают двигаться автомобилю. Это и сила трения в двигателе, трансмиссии и в приводах автомобиля, и аэродинамические силы, и силы качения колёс и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление сил машина сможет преодолеть и развить большую скорость. Однако мощность – сила не постоянная, а зависящая от оборотов мотора. На холостом ходу мощность одна, а на максимальных оборотах – совершенно другая. Многими автопроизводителями указывается, при каких оборотах достигается максимально возможная мощность автомобиля.

Зачастую водитель сталкивается с такими ситуациями, когда требуется придать автомобилю значительное ускорение для выполнения необходимого маневра. Прижимая педаль акселератора в пол, он чувствует, что автомобиль ускоряется слабо. Для быстрого ускорения нужен мощный крутящий момент. Именно он и характеризует приёмистость автомобиля.

Основную силу в двигателе внутреннего сгорания вырабатывает камера сгорания, в которой воспламеняется топливно-воздушная смесь. Она приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, а через него – коленчатый вал. Рычагом является длина кривошипа, то есть, если длина будет больше, то и крутящий момент тоже увеличится.

Однако увеличивать кривошипный рычаг до бесконечности невозможно. Ведь тогда придётся увеличивать рабочий ход поршня, а вместе с ним и размеры двигателя. При этом уменьшатся и обороты двигателя. Двигатели с большим рычагом кривошипного механизма можно применить только лишь в крупномерных плавательных средствах. А в легковых автомашинах с небольшими размерами коленчатого вала не поэкспериментируешь.

Физические определения мощности и крутящего момента двигателя

Из курса физики за девятый класс нам известно, что крутящий момент М равняется произведению силы F, прикладываемой к рычагу длиной плеча L. Высчитывается он по формуле: М = F * L.

Определение мощности мотора и понимание данного параметра, сложившееся в науке, звучит следующим образом: это физическая величина, которая характеризует работу двигателя, выполняемую им за определённое время. То есть, мощность показывает, как быстро машина, имеющая определённую массу, сможет преодолеть определённое расстояние. Чем выше мощность, тем большую максимальную скорость разовьёт автомобиль при его неизменной снаряжённой массе. В классической физике мощность измеряют в ваттах или киловаттах, а лошадиная сила является внесистемной единицей измерения.

Понимание крутящего момента сложнее. Крутящим моментом двигателя является качественный показатель, который характеризует силу вращения коленчатого вала мотора. Рассчитывается он как произведение силы, приложенной к поршню, на плечо (т.е. расстояние от центра оси вращения коленвала до места крепления поршня (шатунной шейки). Крутящий момент напрямую зависит от силы давления газов в цилиндре на поршень, а также от рабочего объёма мотора и от степени сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндрах. Значительно более высоким крутящий момент получается у дизельных двигателей – как раз потому, что у них чрезвычайно высока степенью сжатия смеси солярки и воздуха в камерах сгорания.

Высокий крутящий момент двигателя даёт автомашине лучшую динамику разгона, уже при низких оборотах вращения коленчатого вала, существенным образом увеличивает тяговые характеристики мотора: повышает грузоподъёмность машины и её проходимость.

Своего наибольшего значения крутящий достигает при определённых оборотах. Моторам бензиновым оборотов требуется больше, чем дизелям. По сути, мощность двигателя является вторичной рабочей характеристикой мотора, которая является производной крутящего момента. Она линейно зависима от частоты вращения коленвала: чем обороты выше, тем больше и мощность мотора (естественно, до определённых пределов).

Крутящий момент тоже увеличивается при увеличении оборотов двигателя. Но, достигнув своего наивысшего значения (при определённой частоте вращения коленчатого вала), его показатели начинают понижаться, уже вне зависимости от дальнейшего прироста оборотов.

Как изменение крутящего момента влияет на динамику машины

Чтобы обеспечить как можно более высокие динамические характеристики машины, автопроизводителями разрабатываются такие силовые агрегаты, которые обладают максимальным крутящим моментом в более широком диапазоне оборотов мотора. Высокий крутящий момент характерен для дизелей, а также для моторов многоцилиндровых и турбированных.

Чтобы реально оценить роль мощности и крутящего момента при формировании динамических характеристик машины, требуется учесть следующее:

• автомобиль с двигателем более мощным, но не обладающим достаточным крутящим моментом, будет уступать в разгонной динамике машине с меньшей мощностью, но более высоким крутящим моментом;
• высокий крутящий момент, который двигатель способен «подхватить» уже на низких оборотах, позволит автомобилю ускоряться намного эффективнее;
• наибольшая скорость, которую может развить автомобиль, напрямую зависит от мощности его двигателя, а крутящий момент, в отличие от динамики разгона, не влияет на этот показатель. Максимальная скорость автомобиля, который обладает огромным крутящим моментом, может быть и невелика. Например, мощные внедорожники имеют внушительный крутящий момент и невысокую максимальную скорость, а гоночные машины могут иметь небольшой крутящий момент на карданном валу, но высокую скорость.

Таким образом, вне зависимости от мощности двигателя, разгонная динамика машины, его способность без проблем преодолевать подъёмы всецело зависят от того, каков максимальный крутящий момент. Чем больший крутящий момент передастся на ведущие колёса, и чем шире диапазон оборотов мотора, в котором он будет достигнут, тем увереннее автомобиль будет ускоряться и преодолевать непростые участки дорог.

Необходимо заметить, что прямое сравнение характеристик конструкционно идентичных, но имеющих различные крутящие моменты двигателей, будет иметь смысл только при одинаковых параметрах и трансмиссии тоже – когда коробки переключения передач будут обладать схожими передаточными отношениями. Если же эти параметры будут разными, то и сравнивать крутящие моменты и возможности двигателей нет практического смысла.

Крутящий момент у бензиновых и дизельных моторов

Бензиновые двигатели отличаются не самым большим крутящим моментом. Своего наибольшего значения крутящий момент бензинового двигателя достигает на оборотах не менее чем 3-4 тыс. об/мин. Однако бензиновый двигатель быстро сможет увеличить мощность и раскрутиться до 7-8 тыс. об/мин. При таких сверхвысоких оборотах мощность возрастает в разы.

Дизельный двигатель не отличается высокими оборотами. Обычно это 3-5 тыс. об/мин максимум, и тут он бензиновым моторам проигрывает. Однако крутящий момент дизельного двигателя выше в разы, и доступным он становится очень быстро, практически с холостого хода.

В качестве конкретного примера, можно вспомнить тесты двух двигателей от фирмы Ауди – один дизельный: 2.0 TDI мощностью 140 л.с. и крутящим моментом 320 Н.м, а второй бензиновый: 2.0 FSI мощностью 150 л.с. и крутящим моментом 200 Н.м. По итогам контрольной прогонки в различных режимах получается, что дизель на целых 30-40 л.с. мощнее бензинового двигателя в диапазоне от 1 до 4,5 тыс. оборотов. Поэтому и не сто́ит смотреть только на лошадиные силы. Бывает, что мотор с меньшим рабочим объёмом, но с высоким крутящим моментом показывает себя намного динамичнее, чем двигатель с большим рабочим объёмом, но низким крутящим моментом.

В технических характеристиках, которые указываются для каждого автомобиля и его двигателя, показатель максимального крутящего момента всегда указывается в сочетании с величиной оборотов, при которых такой крутящий момент может быть достигнут. При этом обычно считается: если максимальный крутящий момент может быть достигнут на оборотах до 4,5 тыс. об/мин., то такой двигатель можно назвать низкооборотным; а если более 4,5 тыс. об/мин – то высокооборотным.

При малом количестве оборотов в область сгорания поступает незначительное количество воздушно-топливной смеси за единицу времени, поэтому крутящий момент и мощность невелики. Увеличивая обороты, количество топливно-воздушной смеси (а вслед за ним и мощность, и крутящий момент) возрастают. Достигая значительных параметров, мощность начинает снижаться из-за механических потерь на трение механизмов; инерционных потерь; от недостаточного нагнетания воздуха (именуемого кислородным голоданием).

Из соображений обеспечения максимальных количеств поступающего воздуха в камеру сгорания даже на незначительных оборотах двигателя применяются системы турбированного наддува с электронным регулированием. Применяя такие системы турбонаддува, можно обеспечивать равномерность характеристик крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя.

Какие можно сделать выводы по вышесказанному

Оценивая эксплуатационные параметры автомобиля и непосредственно рабочие характеристики его мотора, величина крутящего момента будет обладать большим приоритетом, чем мощность. Среди двигателей, которые имеют примерно одинаковые конструктивные и рабочие параметры, более предпочтительными будут те, у которых крутящий момент выше.

Для обеспечения лучшей динамики разгона машины и обеспечения оптимальных тяговых свойств двигателя, частоту вращения коленчатого вала надо поддерживать в том диапазоне значений, при которых крутящий момент может достичь пиковых своих показателей.

В итоге, можно сделать вывод о том, что классифицировать и сравнивать машины только по мощности (лошадиных силам) двигателя не совсем правильно. Необходимо обращать особенное внимание ещё и на крутящий момент (Н.м). Если крутящий момент двигателя значительно выше, чем у аналогичного или близкого по ТТХ конкурента, то такой мотор будет обладать бо́льшей динамикой.

Для движения в городском ритме лучше всего подходят низкооборотные моторы с турбонаддувом. Если же есть желание посоперничать в скоростях на трассе, то лучше выбрать автомобиль с высокооборотным силовым агрегатом.

Способы прироста в крутящем моменте двигателя

Величину, которая необходима для крутящего момента той или иной модели автомобиля, определяют инженеры ещё на предварительном этапе конструкторской разработки мотора. От неё зависят и другие элементы автомобиля: его подвеска, тормозное и рулевое управление, аэродинамика. Поэтому, прежде чем приступать к самостоятельному форсированию двигателя, важно убедиться, что машина не развалится от умощнения двигателя.

Способов увеличения крутящего момента и, вместе с ним, мощности двигателя, может быть много:

• изменение геометрических свойств поршневой группы;
• увеличение компрессии;
• замена инжекторов или форсунок;
• установка наддува на атмосферный двигатель;
• изменения в системе воздухозабора;
• доработка или замена системы выпуска выхлопных газов;
• чип-тюнинг, при помощи перепрограммирования топливной карты блока управления мотора.

Однако принудительное увеличение крутящего момента и мощности двигателя в значительной степени уменьшает ресурс его работы.

Как правильно разгоняться, используя максимальный крутящий момент

Для этого важно уметь работать с коробкой передач. Для максимального разгона надо переключаться так, чтобы обороты упали примерно на пик крутящего момента либо выше него, но чтобы оставался запас по увеличению оборотов – разгон больше оборотов максимальной мощности будет проходить медленней. Идеальным вариантом на обычных машинах можно назвать разгон «от пика момента до пика мощности». В тоже время, на двигателях современных автомобилей электроника просто не даст «перекрутить» мотор более его пика мощности – произойдёт «отсечка».

Крутящий момент двигателя – просто о сложном

• Что такое крутящий момент
• Как рассчитать
• От чего зависит крутящий момент ДВС
• Как зависит мощность от крутящего момента
• Особенность дизельных двигателей
• Крутящий момент в легковом и коммерческом транспорте
• Как увеличить крутящий момент?
• Что в приоритете – мощность или крутящий момент

При выборе автомобиля многие обращают внимание на две вещи – дизайн и эксплуатационные характеристики. Идеальная машина должна иметь приятный вид, расходовать мало топлива и быть динамичной. Под последним обычно подразумевают мощность – чем ее больше, тем лучше. Но это не совсем так. Многое меняет крутящий момент двигателя. Почему маломощные дизельные авто лучше разгоняются, чем бензиновые? Можно ли увеличить крутящий момент без вреда для двигателя? Давайте разбираться.

Что такое крутящий момент

Говоря простым языком, это усилие, что развивает коленчатый вал при работе ДВС. Данный показатель зависит от давления газов на днище поршня. Чем больше давление, тем выше момент. Измеряется показатель в Ньютон-метрах (Н/м).

Крутящий момент

Крутящий момент двигателя

Следует знать, что тяговое усилие ДВС относится к коленчатому валу или маховику. Тяговое усилие на колесах – это «переработанный» коробкой момент двигателя. Его показатели отличаются в зависимости от передаточного числа трансмиссии.

Как рассчитать

Чтобы узнать тяговое усилие у конкретного автомобиля, нужно иметь данные о мощности и оборотах коленчатого вала. Для измерения следует брать пиковую мощность и обороты. Максимальный крутящий момент двигателярассчитывается по следующей формуле:

Где Р – мощность ДВС, измеряемая в кВт;

N – число оборотов двигателя автомобиля в минуту;

9550 – постоянный коэффициент в формуле.

От чего зависит крутящий момент ДВС

Чтобы легче разобраться в этом вопросе, посмотрим на график внешней скоростной характеристики (ВСХ) одного из двигателей Jeep Grand Cherokee.

График ВСХ двигателя Jeep

График ВСХ двигателя Jeep Grand Cherokee

На картинке видно, что величина момента меняется при увеличении скорости оборотов ДВС. После частоты 3500 об/мин показатель резко падает. Почему так происходит? Суть в наполнении цилиндров горючей смесью. Объем новой смеси не всегда равен объему камеры сгорания. Данная характеристика называется коэффициентом наполнения цилиндров. Величина может быть выше или ниже 1.

Изменение коэффициента происходит ввиду строения впускного коллектора и настройки фаз газораспределения. В нашем примере впускные клапаны ДВС открываются на 10° до верхней мертвой точки и закрываются на 60° после прохождения нижней мертвой точки. Это сделано, чтобы сбалансировать «полку» момента и получить оптимальные значения для средних оборотов (частота вращения 2500-3500 в минуту), которые нам и нужны для повседневной эксплуатации.

Что происходит с нашим мотором, когда он работает на малых оборотах? В теории при уменьшении скорости поршня должна улучшится наполняемость цилиндра. На практике при частоте вращения 1600 об/мин значение тягового усилия падает до 260 Ньютон-метров. Причина тому – слишком позднее закрытие клапана и малая степень сжатия (7.4/1 вместо 9/1). Как итог – меньшее давление газов в конце такта сгорания, и соответственно, малый крутящий момент двигателя.

Как зависит мощность от крутящего момента

Давайте взглянем на график работы ДВС Saab 9-3. Как видно, кривая мощности круто возрастает на пике момента и слабо поднимается, когда он падает.

График ВСХ

График ВСХ автомобиля Saab

Таким образом, мощность определяет объем работы, который мотор может выполнить за единицу времени. Величина мощности на определенных оборотах зависит только от тягового усилия на этих же значениях. И чтобы увеличить максимальную мощность, нужно поднять момент на больших оборотах.

Особенность дизельных двигателей

В последнее время дизельные ДВС набирают большую популярность среди любителей авто. Поводом является не только малый расход топлива, но и технические характеристики. Такие машины обладают «паровозной» тягой и крайне надёжны. Причин этому несколько:

• Большая степень сжатия мотора, во многом определяющая тяговое усилие. Бензиновые ДВС имеют степень сжатия от 8 до 12, тогда как у дизельных данное число составляет от 18 до 22.
• Дизтопливо сгорает раньше, чем бензин. Таким образом, ДВС может поглотить больше топлива и произвести больше работы за единицу времени.
• Длина хода поршня. Дизельные ДВС имеют больший ход поршней, что увеличивает тяговое усилие.
• Наличие наддува и усиленная конструкция цилиндропоршневой группы. Такие моторы имеют больший запас прочности, а за счет турбины – большой КПД.
• Дизтопливо более энергоемкое. Из одной порции дизтоплива можно извлечь больше энергии, чем из такого же количества бензина.

Теперь перейдем к цифрам. Примером послужит дизельный и бензиновый двигатель БМВ.

Как видно, дизельная «пятерка» слабее на 48 лошадиных сил, но выигрывает у бензиновой по крутящему усилию. Что это дает на практике? Имеем неплохие показатели динамики: дизельная БМВ разгоняется до сотни за 5,7 секунд, бензиновая – за 5,6.

Крутящий момент в легковом и коммерческом транспорте

Интересно знать, что «кривые» ВСХ дизельных двигателей легковых авто отличаются от грузовиков.

Разница дизельного ДВС легковушки и грузовика

Разница дизельного ДВС легковушки и грузовика

Как можно увидеть, у грузового ДВС нет выраженной «полки» момента. Это сделано неспроста. Для таких авто важен пик тягового усилия, когда ему нужно тронуться с места и набрать скорость. Дальше этот показатель не так важен – в ход идут лошадиные силы. Разогнавшись, грузовик лишь поддерживает заданную скорость. «Размазав» полку тягового усилия как у легкового ДВС, не получится нормально тронуться с места груженым.

Как увеличить крутящий момент?

Автопроизводители применяли разные способы увеличения крутящего момента двигателя, но каждый из них имел свои недостатки:

• Увеличение рабочего объема поршневой. Цель доработки – чем больший объем камеры, тем большее количество топлива в ней сгорит. Но стоит учитывать, что такая доработка влечет увеличение расхода топлива, что недопустимо в современных условиях.
• Увеличение степени сжатия. Для этого производители уменьшают объем камеры сгорания, что позволяет получить избыток давления. Но чем большая степень сжатия, тем выше вероятность детонации. Сегодня наибольший параметр среди бензиновых ДВС – 14.
• Турбирование. Позволяет увеличить мощность и тяговое усилие автомобиля на 30 %. Но установка турбины подразумевает большие нагрузки на цилиндропоршневую группу. Мотор нуждается в технической доработке, что отображается на конечной цене автомобиля. Это недопустимо для машин бюджетного и среднего класса.

Как же удалось производителям увеличить тяговое усилие двигателя, не прибегая к подобным доработкам?

Принцип работы системы состоит в повороте распредвала по ходу вращения, что обеспечивает раннее открытие клапана. Для этого задействуется гидромуфта с системой управления. Это системы VANOS, VVT и VVT-i. В системе VTEC применяются кулачки разной формы, что позволяет ступенчато изменить высоту и время открытия клапанов.

Как влияет система изменения фаз на характеристики ДВС? За счет лучшего наполнения цилиндров, крутящее усилие продолжает расти с увеличением частоты оборотов. Спад происходит только после 7 тысяч.

Что в приоритете – мощность или крутящий момент

При выборе автомобиля с примерно равной мощностью, в приоритете будет стоять более «моментный». Почему? Мощность авто – это косвенный показатель тяговых характеристик, и максимальные его значения проявляются только при пиковых оборотах. В повседневной эксплуатации мы не доводим стрелку тахометра до красной шкалы, поэтому нас интересует тяговое усилие двигателя на средних оборотах. Для этого достаточно взглянуть на «полку» крутящего момента.

Сравнение характеристик

Сравнение характеристик бензинового и дизельного двигателя

Важно знать, что пиковое значение у разных двигателей достигается при разных оборотах. Одни авто развивают весь потенциал уже при 1500-2500 об/мин, другие раскрываются только после 4500. Это зависит от устройства впускного коллектора и системы газораспределения.

Еще один параметр, который следует учитывать – эластичность двигателя внутреннего сгорания. Это способность автомобиля набирать обороты под нагрузкой.

Эта характеристика существенно зависит от полки крутящего усилия.

Таким образом, идеальным для нас является автомобиль, способный не только быстро набирать «сотню», но и уверенно разгоняться в движении. Необходимо учитывать и полку момента – чем меньше она падает после пика с ростом оборотов, тем лучше. Для повседневной эксплуатации не стоит выбирать двигатель, который раскрывается только на «верхах» (если, конечно, вы не заядлый гонщик). Тот самый «подрыв» должен наступать уже после 1200 для дизельных и 2500 об/мин для бензиновых ДВС. С таким автомобилем вы уверенно будете чувствовать себя в городе и на трассе.

Источник https://tractorreview.ru/dvigateli/ustroystvo/krutyashhij-moment-dvigatelya-chto-eto-takoe.html
Источник https://mashinapro.ru/1893-krutyaschiy-moment-dvigatelya.html