Что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя

Выделяют следующие типы нагрузок:

Постоянная мощность

Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.

Постоянный вращающий момент

Как видно из названия – «постоянный вращающий момент» – подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.

Переменный вращающий момент и мощность

«Переменный вращающий момент» – эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.

Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.

Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.

Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.

Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.

В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.

Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.

Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.

На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения – мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения – велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность – кубу скорости вращения.

Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:

Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.

В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.

Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.

Мощность двигателя

Традиционно сложилось мнение, что чем выше мощность двигателя, тем машина производительней, быстрей и престижней. Этот показатель определяет работу двигателя за определенный момент времени. Измеряется физическая величина в ваттах и лошадиный силах. Полное приведение формулы занимает много времени и сил, а готовый результат можно выразить следующим образом.

1 кВт=1,36 л.с.

В технических характеристиках автомобиля можно встретить указание мощности как в лошадиных силах (л.с), так и в Ваттах. Для сравнения результата можно легко перевести заданное значение, но сама суть понятия мощности фактически мало зависит от указанной. На практике это выражается в том, что скорость и производительность двигателя определяется не только параметрами производителя, но и крутящим моментом, а также продолжительностью испытания. Дело в том, что технические характеристики указаны при измерении на максимальных оборотах, чего в реальности добиться довольно трудно. При эксплуатации авто на пределе мощности возникают другие проблемы, в частности, быстрый износ двигателя, поэтому ориентироваться исключительно на такой показатель как мощность категорически нельзя.

Бензиновый или дизельный мотор, что лучше

Мнения по поводу характеристик бензиновых и дизельных силовых установок расходятся. При одинаковых объемах рабочих цилиндров, мощностной коэффициент отличается.

Бензиновая установка

Воспламенение рабочей смеси в камере сгорания бензинового ДВС осуществляется следующим образом:

• В полость рабочего цилиндра поступает смесь, при движении поршневого элемента к нижней мертвой точке;
• После заполнения камеры сгорания рабочей смесью поршень начинает движение к верхней мертвой точке. При этом закрываются клапана механизма распределения газов. Под действием поршневого элемента рабочая смесь сжимается;
• При максимальном сжатии срабатывает свеча зажигания. Она подаёт искру в полости цилиндра. Смесь воздушной массы с горючим воспламеняется от искры;

После передачи усилия на шейку коленчатого вала открывается выпускной клапан механизма распределения газов. Выхлопные газы выводятся в атмосферу.

Благодаря своей конструкции бензиновый агрегат отличается большим количеством лошадиных сил. При этом степень вращения низкая. Моторы развивают большое количество оборотов.

Дизельная установка

Конструкция мотора работающего на дизельном топливе отличается. Воспламенение горючего осуществляется без применения свечи зажигания. Процесс происходит следующим образом:

1. При движении поршневого элемента к нижней мертвой точке открывается впускной клапан механизма распределения газов. В отличие от бензинового ДВС в полость цилиндра поступает воздушная масса без горючего;
2. При смещении поршня к верхней мертвой точке, оба клапана газораспределительного механизма закрываются;
3. По достижению воздушной массой максимального сжатия в камеру подается дизельное топливо;
4. Под действием давление топливо воспламеняется.

Конструкция дизельного мотора предусматривает более высокую компрессию. Это увеличивает усилие оказываемое на кривошипно-шатунный механизм. Дизельные моторы развивают более низкое число оборотов. Их увеличение приводит к уменьшению срока службы комплектующих.

Высокое усилие позволяет дизельному мотору потреблять минимальное количество топлива на холостом ходу и более динамично разгонять транспортное средство до достижения им максимальной мощности с места. Такой показатель важен на тракторах и различных самоходных машинах использующихся под высокой нагрузкой.

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.

Необходимо учитывать, что максимальная мощность не развивается сразу. Автомобиль стартует с места практически при минимальных оборотах (немного выше холостого хода), и для того, чтобы отмобилизировать полную мощность, требуется время. Тут и вступает в дело крутящий момент двигателя. Именно от него и будет зависеть, за какой отрезок времени автомашина достигнет своей максимальной мощности – то есть, динамика её разгона.

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.

Еще примеры

Для большего практического понимания важности крутящего момента приведем несколько примеров на гипотетическом двигателе. Даже без учета максимальной мощности, по графику, отражающему крутящий момент, можно сделать некоторые выводы

Разделим количество оборотов коленчатого вала на три части – это будут низкие обороты, средние и высокие

Даже без учета максимальной мощности, по графику, отражающему крутящий момент, можно сделать некоторые выводы. Разделим количество оборотов коленчатого вала на три части – это будут низкие обороты, средние и высокие.

На графике слева представлен вариант двигателя, который имеет высокий крутящий момент на низких оборотах (что равносильно высокому крутящему моменту на малых скоростях) – с таким двигателем хорошо ездить по бездорожью – он “вытянет” из любой трясины. На графике справа – двигатель, у которого высокий крутящий момент на средних оборотах (средних скоростях) – этот двигатель рассчитан для использования в городе – он позволяет достаточно резво ускоряться от светофора до светофора.

Следующий график характеризует двигатель, который обеспечивает хорошее ускорение даже на высоких скоростях – с таким двигателем комфортно на трассе. Замыкает графики универсальный двигатель – с широкой полкой – такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет хорошо ускоряться, и на трассе.

К примеру 4,7-литровый бензиновый двигатель Toyota Land Cruiser 200 развивает максимальную мощность 288 л.с. при 5400 об/мин, а максимальный крутящий момент в 445 Нм при 3400 об/мин. А дизельный 4,5-литровый двигатель, устанавливаемый на это же авто развивает максимальную мощность 286 л.с. при 3600 об/мин, а максимальный крутящий момент – 650 Нм при “полке” в 1600-2800 об/мин.

1,6-литровый двигатель Mitsubishi Lancer X развивает максимальную мощность 117 л.с. при 6100 об/мин, а максимальный крутящий момент в 154 Нм достигается при 4000 об/мин.

2,0-литровый двигатель Honda S2000 обеспечивает максимальную мощность в 240 л.с. при 8300 об/мин, а максимальный крутящий момент в 208 Нм при 7500 об/мин, являясь примером “спортивности”.

Итак, как мы уже видели, связь между мощностью, крутящим моментом и оборотами двигателя – довольно сложная. Суммируя, можно сказать следующее:

• крутящий момент отвечает за способность ускоряться и преодолевать препятствия,
• мощность ответственна за максимальную скорость автомобиля,
• а обороты двигателя все усложняют, так как каждому значению оборотов соответствует свое значение мощности и крутящего момента.

А вцелом все выглядит так:

• высокий крутящий момент на низких оборотах дает автомобилю тягу для передвижения по бездорожью (таким распределением сил могут похвастать дизельные двигатели). При этом мощность может стать уже вторичным параметром – вспомним, хотя бы, трактор Т25 с его 25 л.с.;
• высокий крутящий момент (а лучше – «полка крутящего момента) на средних и высоких оборотах дает возможность резко ускоряться в городском потоке или на трассе;
• высокая мощность двигателя обеспечивает высокую максимальную скорость;
• низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.

Зависимость мощности и крутящего момента двигателя

Крутящий момент по мере увеличения оборотов двигателя постепенно возрастает, при оборотах около 2800 немного стабилизируется, достигая своего максимума приблизительно 178 н*метр при 4500 об/мин. Мощность двигателя по мере увеличения оборотов продолжает возрастать, что согласуется с приведенной выше формулой. Однако после достижения величины оборотов 5400 об/мин, крутящий момент снижается с большей скоростью, чем растут обороты, и мощность уменьшается.

Это соответствует физической интерпретации процессов в двигателе. На малых оборотах в двигатель поступает мало топлива и воздуха, мощность невысокая. По мере увеличения оборотов сгорает больше топлива, вырабатывается больше энергии. При дальнейшем увеличении количества оборотов двигателя мощность начинает снижаться по причинам:

• увеличение потерь на процессы трения;
• кислородное голодание;
• инерционные и другие механические потери;
• тепловые потери.

Конструкторы ДВС стремятся расширить диапазон стабильного участка характеристики зависимости крутящего момента. В качестве одного из широко распространенных конструктивных решений применяются системы интеллектуального турбонаддува. Они позволяют избежать ситуации кислородного голодания на различных оборотах.

Крутящий момент относительно стабилен при оборотах двигателя от 2500 до 5500 об/мин. Водители могут смело начинать процесс обгона даже на малых оборотах.

Высокооборотные двигатели имеют стабильный момент до 6500 – 7500 об/мин. Это позволяет развить максимальную мощность на оборотах около 7500 об/мин, как приведено на рисунке 3.

Если вы подходите к покупке автомобиля серьезно, желательно покопаться в справочниках, на форумах, ознакомиться с дилерской информацией, погуглить, и найти зависимости крутящего момента и мощности. Тогда вы с научной точки зрения будете судить о ходовых параметрах автомобиля.

Выбирая автомобиль для эксплуатации в городских условиях, целесообразно приобрести дизельный авто, если вы любитель погонять с ветерком на автобанах, подойдет высокооборотный бензиновый двигатель.

Увеличение КМ

Для чего и как повысить крутящий момент двигателя? На первую часть вопроса ответить легко. Обычно недовольство КМвозникает у владельцев малолитражек – ходовые характеристики машины снижаются по любому поводу, будь то включенный кондиционер или гидроусилитель руля.

С увеличением характеристики растут и возможности автомобиля. Это разгон и тяговые качества.

Логично предположить, что вторая часть вопроса – как поднять КМ – решается заменой или доработкой комплектующих двигателя. Некоторые способы выполняются самостоятельно, другие требуют профессионального вмешательства. Подробно:

1. Замена распредвала, выпускных клапанов и фильтров на детали с большим КПД. Например, возможно использовать вал с коленами большего размера или откорректировать крутящий момент на колесе автомобиля. В последнем случае в коробку передач устанавливаются особые шестерни с высоким передаточным числом. Любители, возможно, не справятся с работой – установку комплектующих лучше отдать на откуп специалистам по автомобильному тюнингу.
2. Увеличение объема поршневой системы. Это предполагает расточку цилиндров и замену диаметра поршня на больший. Результат увеличения значения крутящего момента гарантирован из-за возросшей мощности двигателя – закономерного эффекта. Минус способа – увеличение расхода топлива.
3. Повышение степени сжатия газовоздушной смеси. Для этого требуется уменьшить объем камеры сгорания, чтобы получить избыток давления. Высокий показатель, естественно увеличит силу поршня, но при этом порог детонирования существенно снижается. Как итог – износ поршневой группы и опасность преждевременного возгорания топлива.
4. Увеличение диаметра впускных клапанов. Принцип прост: чем больше топлива, тем выше образование выделяющегося тепла. Это то,что дает крутящий момент двигателя – возрастание энергии. Чтобы установить новые клапана большего диаметра снова требуется расточка деталей. Без опыта, смысла проводить работу, нет – можно легко повредить систему. А новые оригинальные комплектующие – дороги.
5. Турбирование. Заключается в доработке головки блока цилиндра. Что дает крутящий момент двигателя в этом случае? После модификации увеличивается объем газовоздушной смеси, следовательно, после детонации мощность кратно возрастает. Соответственно увеличивается КМ. Недостаток способа – дорогостоящая работа, что не всегда оправдано для автомобилей бюджетных классов.
6. Электронная настройка, прошивка блока или чип-тюнинг. Заключается в перепрограммировании контролера двигателя. Как узнать о коррекции КМ? Изменения времени открытия впускных клапанов делаются в большую сторону, следовательно, расход топлива увеличится. Кроме временного промежутка, меняется множество других параметров –система охлаждения, вентиляции, воздухозаборников и прочего. Достоинства способа в безопасности – всегда можно вернуть настройки по умолчанию.
7. Замена тяжелых поршней на облегченные. Усилий на работу потребуется меньше, динамика двигателя возрастет, повысится скорость автомобиля. Минус – способ годится для бензиновых авто, где степень сжатия меньше и порог детонирования выше. Иначе быстрого износа легких деталей не избежать.

Итак, крутящий момент асинхронного двигателя и мощность – связанные понятия. Вся работа по изменению значения одного параметра влечет за собой коррекцию другого.

13

В сопроводительной документации любого транспортного средства имеются данные о том, какую максимальную мощность развивает силовой агрегат. Но там не всегда можно встретить информацию о величине крутящего момента конкретного двигателя внутреннего сгорания. Известно, что по величине крутящего момента двигателя определяется, сколько потребуется времени, чтобы разогнать машину до максимальной скорости.

Мощность двигателя

Измеряется в «Лошадиных Силах (л.с.)» или Киловаттах (Ваттах, «Вт»), как становится понятно — ей занимался Джеймс Ватт. Да, именно в Ваттах мы измеряем мощность лампочки накаливания у нас в «люстрах» и светильниках, но оказывается и мощность двигателя тоже. Я не буду вдаваться в подробности, как и что он открыл, просто характеристика идет именно от его фамилии.

НО как же лошадиные силы? А все просто, Ватт «тренировался» на лошадях, а именно на переносимых грузах, одной лошадью в единицу времени и на определенное расстояние, так вот после определенных «терзаний» выяснилось — что одна лошадь (если ее заставить генерировать электрический ток, от динамомашины) способна выдавать 736 Ватт в секунду времени, либо 75 кгс м/с, что можно расшифровать так — 75 килограмм, на 1 метр высоты, за 1 секунду времени.

Чтобы перевести «ватты» в «лошадиные силы», существует достаточно большой расчет, но если утрировать, то получается 1кВт=1000Вт=1,36л.с.

Не все производители указывают мощность двигателя в «л.с.», например некоторые немецкие производители указывают именно в Ваттах.

Думаю это понятно, больше к этому возвращаться не будем.

Мощность двигателя внутреннего сгорания (будь то это бензин или дизель), величина не постоянная! ЭТО НУЖНО ПОНИМАТЬ! Меня просто умиляет то, как многие реагируют на эту величину: — у меня 150 л.с., я тебя сделаю как «два пальца», а у оппонента 145 л.с. и по теории он должен проиграть, но не учитывается крутящий момент и расстояние, на котором будут соревноваться автомобили.

Мощность изменяется от оборотов двигателя! Ваша номинальная величина, будет указана при определенных МАКСИМАЛЬНЫХ оборотах, у современных авто, обычно от 5000 до 6500 оборотов. ТО есть простыми словами, 150л.с. – выдаются при 6000 оборотов (для примера). Соответственно при 3000 или при 1500 оборотов, мощность будет уменьшаться в разы.

ТО есть, для того чтобы получить весь «табун» силового агрегата, вам нужно активно «педалировать». Например — при обгонах или резких маневрах, вы должны держать почти вашу «полку» в 5000 – 6500 оборотов именно эти обороты вам помогут резко ускориться. Вот почему зачастую приходится понижать передачу, для того чтобы получить максимум мощности.

НО силовой агрегат не может мгновенно раскрутиться, ему на это нужно время, здесь то и приходит такое понятие как крутящий момент.