Когда мы видим рекламу автомобилей разных марок в СМИ, мы замечаем, что с технической точки зрения они обычно демонстрируют ряд показателей, связанных со скоростью, расходом топлива, ускорением… короче говоря, холодные цифры, которые большая часть водителей никогда не сможет повторить. Однако есть одна физическая характеристика, которая нравится всем водителям, и которая сейчас редко рекламируется, хотя еще не так давно считалась довольно важной: крутящий момент.
Ещё не так давно, до нынешнего всплеска мощности автомобилей, « обороты » машины часто описывались как её способность быстро набирать скорость. Хотя это распространённое представление точно отражает то, что на самом деле означает «обороты» , оно не совсем точно, или, скорее, неверно, когда речь идёт о понимании крутящего момента.
Что такое крутящий момент?
Крутящий момент, также известный как момент вращения двигателя, — это физическая величина, измеряющая момент силы, который должен быть приложен к валу, вращающемуся вокруг своей оси с определенной скоростью. Применительно к автомобильной промышленности и в доступной для всех форме, его можно определить как силу, необходимую для вращения коленчатого вала двигателя и, следовательно, для передачи этого движения другим механическим компонентам, необходимым для движения транспортного средства.
И здесь мы наблюдаем первое различие между реальностью и обычаем; Когда мы говорим о крутящем моменте двигателя, чтобы выразить способность автомобиля к ускорению, мы на самом деле не определяем, что такое крутящий момент двигателя, мы только описываем одно из его применений. Это связано с тем, что крутящий момент двигателя измеряет мощность, необходимую двигателю для совершения определенного числа оборотов, но не учитывает дополнительную мощность, которая должна быть приложена для изменения угловой скорости вала или коленчатого вала.
Немного физики для объяснения крутящего момента
Чтобы объяснить вам, что такое крутящий момент двигателя, я, убегая от физических принципов, объясню функцию коленчатого вала и силы, действующие на него.
Тепловой двигатель вырабатывает энергию в цилиндрах. В частности, именно в камерах сгорания происходит взрыв топливно-воздушной смеси. Высвобождаемая при этом взрыве энергия создает линейное движение, толкая поршень в направлении, противоположном направлению вращения головки цилиндра. Поршни в разных цилиндрах соединены с коленчатым валом шатунами , и именно в месте соединения этих шатунов с коленчатым валом линейное движение преобразуется во вращательное.
В этом контексте стоит упомянуть об исключительной конструкции роторных двигателей , в которых круглые камеры «цилиндров» непосредственно окружают центральный вал, вращающийся вокруг своей оси под действием взрывов, производимых в камерах. Таким образом, в этом случае вращательное движение генерируется непосредственно . В любом случае, физические принципы, управляющие крутящим моментом, остаются теми же.
Даже не вдаваясь в излишние исследования, чтобы упростить представление о преобразовании энергии, можно сказать, что вращающиеся блоки генерируют крутящий момент вместо мощности. В этом отношении нет никакой веры, потому что ни камеры, ни ротор роторных двигателей не являются точно круглыми, и воспламенение топлива происходит в части камеры, в отличие от обычных цилиндровых двигателей, в которых топливно-воздушная смесь занимает весь ее объем. .
Возвращаясь к физическому объяснению, сила, действующая со стороны поршня на коленчатый вал, не является постоянной на протяжении всего процесса расширения. Это происходит потому, что в каждом цилиндре максимальная мощность достигается в момент воспламенения топлива. И эти моменты максимальной мощности также сопровождаются моментами максимального крутящего момента.
Задержку между моментом, когда максимальная мощность генерируется в цилиндре, и максимальной мощностью, прикладываемой к коленчатому валу, рассчитать непросто. Это связано с тем, что поршни совершают не чисто линейное движение, а из-за того, что коленчатый вал также не является полностью прямым, они совершают движение, сочетающее линейный эффект поршня с круговым эффектом подшипников шатуна.
Однако именно эти моменты максимальной мощности и максимального крутящего момента имеют большое значение с точки зрения восприятия плавности работы двигателя.
Чем больше цилиндров у автомобиля, тем больше раз в минуту будет наблюдаться момент максимальной мощности , и тем более однородным будет восприятие водителем плавной работы двигателя.
Это связано с тем, что в 2-цилиндровом двигателе будет один момент максимальной силы через каждые 360º поворота коленчатого вала, в трехцилиндровом двигателе это произойдет через каждые 240º, в одном из шести – через каждые 120º и скоро. Конечно, это следует трактовать как чистую теорию, поскольку сегодня производители стремятся сделать свои двигатели максимально плавными в плане их работы.
Этот фактор также влияет на то, что двигатель генерирует больше вибраций на холостом ходу , и эти вибрации более заметны: при 1.000 оборотах в минуту пиковые моменты крутящего момента вдвое меньше, чем при 2.000 оборотах в минуту. Например, начиная со средней скорости холостого хода 850 оборотов в минуту, трехцилиндровый двигатель будет генерировать менее десяти моментов крутящего момента в секунду, в то время как шестицилиндровый двигатель будет генерировать почти двадцать.
Если принять во внимание, что «нормальный» человек, сталкиваясь с прерывистой силой непрерывного приложения, лучше распознает интервалы больше десятых долей секунды, чем меньше, то вот банальное объяснение, по которому широкая публика распознает колебания моторы с двумя или тремя цилиндрами: так как интервал между моментами максимальной внешней нагрузки больше десятой доли секунды.
Какой крутящий момент развивает ваш двигатель?
Во многих публикациях, посвященных автомобильной тематике, часто измеряют крутящий момент, который «раздает» двигатель автомобиля. Это утверждение по определению неверно, поскольку мы понимаем крутящий момент как приложенную силу , а не как результирующую силу . Однако, согласно физическому принципу действия и противодействия, когда к вращающемуся валу прикладывается момент силы, автоматически возникает другой момент силы той же величины и направления, но в противоположном направлении ( третий закон Ньютона ).
Как рассчитать крутящий момент двигателя – нагрузка двигателя
Момент двигателя можно измерить, но его расчет чрезвычайно сложен и почти невозможен для смертных, поэтому проще доверить это профессионалам, умеющим обращаться с современными машинами и очень сложными компьютерными программами, хотя на первый взгляд мы видим только роликовый блок.
Как видно из определения, в двигателе внутреннего сгорания крутящий момент — это переменная , зависящая от мощности, генерируемой в камерах сгорания, и числа оборотов двигателя в данный момент времени, поэтому его значение можно рассчитать по формуле P = T · ω, где P — мощность, выраженная в ваттах, T — крутящий момент, выраженный в ньютон-метрах, а ω — радиальная скорость вращения, выраженная в радианах в секунду.
Однако на теоретические значения, которые можно получить, непосредственно применяя формулу, влияют и другие факторы, такие как внутреннее трение двигателя . Это внутреннее трение означает, что часть энергии, вырабатываемой двигателем, не может быть использована извне, а «теряется» в процессе движения самого двигателя, обычно в виде тепла. Следует помнить, что энергия не создается и не уничтожается, она лишь преобразуется.
Существуют также внешние факторы , которые могут влиять на мощность, вырабатываемую двигателем, даже в ситуациях, которые могут показаться сопоставимыми с внутренней точки зрения. Например, один и тот же двигатель, работающий с постоянной скоростью 2.000 оборотов в минуту, будет вырабатывать больше мощности при движении по ровной дороге, чем при движении под уклон. Хотя число оборотов постоянно, а следовательно, и угловая скорость коленчатого вала также постоянна, различная выходная мощность в каждый момент времени также приводит к различному крутящему моменту, приложенному к коленчатому валу.
Многие из вас, возможно, задаются вопросом, как это возможно, но объяснение довольно простое. Как мы все знаем, движение создаётся за счёт воспламенения стехиометрической топливно-воздушной смеси в камерах цилиндров, и если требуется меньшая мощность, то решение состоит в том, чтобы впрыскивать смесь с более низким содержанием топлива и более высоким содержанием воздуха. Именно поэтому бортовой компьютер нашего автомобиля показывает более низкий или даже нулевой мгновенный расход топлива при спуске с горного перевала.
Все эти параметры, влияющие на работу и теоретические результаты механизма, называются нагрузкой двигателя , которая определяется как величина крутящего момента, который двигатель должен создать, чтобы преодолеть сопротивление, препятствующее его движению.
Как мы уже видели, нагрузка на двигатель зависит как от внутренних факторов, таких как трение его различных движущихся частей, так и от внешних факторов, таких как трение шин или аэродинамика автомобиля. Я привел эти два примера, которые полностью находятся вне механики автомобиля, поскольку в обоих случаях они создают противодействующие и постоянно изменяющиеся силы, препятствующие движению автомобиля. Это также означает, что значение нагрузки на двигатель будет постоянно изменяющимся параметром.
Нагрузка на двигатель также очень четко влияет на нас во время вождения, что ценят все водители. Если мы продолжим тот же пример с автомобилем, движущимся с постоянной скоростью и постоянным числом оборотов двигателя, то почему автомобилю труднее набрать скорость на участке подъема, чем на участке спуска? Ну, из-за изменения нагрузки двигателя.
Возвращаясь к теоретической стороне вопроса, когда автомобиль движется с постоянной скоростью по ровной дороге, он испытывает две внешние силы, противодействующие его движению: аэродинамическую и силу трения . Когда автомобиль начинает двигаться в гору, при условии поддержания постоянной скорости, можно считать, что аэродинамическая сила, противодействующая движению, сохраняется, но сила трения изменяется, превращаясь в гравитационную силу, и по мере подъема автомобиля часть силы трения будет «тянуть» его назад.
Если мы хотим быть действительно точными, мы можем также рассмотреть кинетическую и потенциальную энергию . Кинетическая энергия зависит от массы и скорости транспортного средства, а потенциальная энергия зависит от его массы и высоты. По мере увеличения высоты, в соответствии с принципом сохранения энергии, кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию.
В случае подъема в гору , суммируя все внешние силы, противодействующие движению, можно сказать, что нагрузка на двигатель увеличивается, и, следовательно, величина «полезного» крутящего момента двигателя уменьшается, при этом можно наблюдать несколько ситуаций:
- Если мы хотим поддерживать постоянное вращение двигателя мы должны требовать большей мощности, сильнее нажимая на дроссельную заслонку, чтобы впрыснуть более богатую топливную смесь в камеры цилиндров.
- Если наклон дороги увеличивается, может наступить момент, когда автомобиль начнет терять скорость. Это связано с тем, что нагрузка двигателя (силы, противодействующие движению) больше, чем крутящий момент, который может быть создан в двигателе (положительные силы движению).
- оставаясь постоянная мощность и крутящий момент, и увеличивая нагрузку двигателя, меньше мощности будет доступно для увеличения скорости транспортного средства, поскольку ускорение пропорционально приложенной силе: меньшая мощность означает меньшую силу ускорения.
Крутящий момент двигателя и коробка передач
Однако физика также способна изменять поведение тел, подверженных воздействию различных сил, и в случае коленчатого вала двигателя нашего автомобиля можно сказать, что он способен передавать крутящий момент, получаемый от цилиндров, на другие части автомобиля, такие как коробка передач.
Крутящий момент передается от двигателя к трансмиссии в виде вращательного движения через входной вал. Именно поэтому производители всегда указывают технические характеристики трансмиссии с точки зрения ограничений по крутящему моменту, а не по мощности. Внутри трансмиссии крутящий момент преобразуется в тангенциальную силу, а затем обратно в крутящий момент . Как это происходит?
Внутри коробки передач находится ряд шестерен , которые передают движение друг другу просто за счет зацепления зубьев. Эти шестерни, определяющие количество шестерен в трансмиссии, имеют разные размеры или «передаточные числа». Именно поэтому иногда можно прочитать, что у трансмиссии x скоростей или x передаточных чисел; это одно и то же.
В любом случае, именно разный размер зубчатых колец изменяет входной и выходной крутящий момент, в том числе и в соответствии с физическим принципом сохранения энергии : когда два колеса вращаются в зубчатой передаче (теоретически), они сохраняют энергию, поэтому произведение вращательного момента и угловой скорости должно оставаться постоянным.
Объясняя основной принцип, который влияет на крутящий момент, более низкие скорости имеют большие звездочки, чем у более высоких передач, и его физическую логику очень легко понять на примере, потому что это то, что все водители понимают и знают. тот же автомобиль вращается со скоростью 2.000 оборотов в минуту, обеспечивая постоянную мощность и крутящий момент.
При движении на первой передаче главный входной вал передает крутящий момент на трансмиссию с определенной угловой скоростью, но он зацеплен с большей кольцевой шестерней , которая вращается с меньшей скоростью, чем входной вал. Поскольку мощность в зубчатой передаче остается постоянной, с уменьшением угловой скорости крутящий момент увеличивается.
Если, с другой стороны, мы циркулируем на высшей передаче с коронной шестерней, даже меньшей, чем у первичного входного вала, произойдет как раз обратное: коронная шестерня высшей шестерни будет вращаться с более высокой скоростью и, следовательно, выходной крутящий момент уменьшится.
Это изменение крутящего момента при теоретическом постоянстве как эффективности блока, так и нагрузки двигателя отвечает за различное поведение, которое можно наблюдать в автомобиле при наборе скорости. Потому что всем известно, что при движении с постоянной скоростью легче увеличить обороты двигателя на пониженной передаче, чем на длинной, даже несмотря на то, что мощность и крутящий момент, генерируемые в двигателе, одинаковы.
Причина в том, что на более высокой передаче на ведущие колеса передается меньший крутящий момент . Это происходит потому, что при одинаковой частоте вращения двигателя шины вращаются быстрее на более высокой передаче. Именно поэтому иногда мы можем подняться на крутой холм на первой передаче со скоростью 1.500 оборотов в минуту, в то время как в других случаях, двигаясь на 5-й или 6-й передаче, малейший уклон заставляет нас переключаться на пониженную передачу, чтобы поддерживать скорость, даже несмотря на то, что мы движемся с более высокой частотой вращения двигателя.
Логично, что мы снова оказались в теоретическом мире, потому что на практике с увеличением скорости возрастает и аэродинамическая сила, которая стремится замедлить автомобиль, увеличиваются потери энергии , например, из-за большего нагрева шин... Короче говоря, это ряд внешних факторов, которые создают силы, противоположные движению, и вам просто стоит немного ознакомиться с ними, чтобы лучше понимать крутящий момент двигателя.
Крутящий момент в электродвигателях
Как и роторные двигатели, электродвигатели непосредственно создают вращательное движение и, следовательно, крутящий момент, а не мощность в традиционном смысле. Это объясняется тем, что принцип работы электродвигателя основан на фундаментальном принципе магнетизма: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.
В общих чертах, основная конструкция электродвигателя состоит из намагниченного цилиндра с проходящим через него ротором. Этот ротор вращается вокруг своей оси благодаря постоянным изменениям заряда внешнего цилиндра. Самый простой пример — компас: если его не трогать, он указывает на магнитный север Земли, но если поднести магнит и вращать его по кругу вокруг компаса, стрелка компаса будет вращаться с той же скоростью, что и вращение магнита.
Существует принципиальная разница в качестве создаваемого крутящего момента : он практически постоянен . В то время как в двигателе внутреннего сгорания величина крутящего момента может изменяться в зависимости от частоты вращения двигателя, в электродвигателе крутящий момент практически постоянен. Это объясняется основным принципом работы этих типов двигателей и применяемыми сегодня технологиями.
Как я уже упоминал, вращение ротора электродвигателя происходит за счет непрерывной поляризации статора , который образует небольшое магнитное поле, способное вращать ротор за счет чередования сил притяжения и отталкивания. Именно в этом моменте современные технические достижения позволяют создавать гравитационные силы, генерируемые в роторе, с практически постоянным максимальным крутящим моментом.
Крутящий момент электродвигателя по сравнению с тепловой крутящий момент двигателя
Я упоминал, что крутящий момент практически постоянен по очень специфической причине, что в некоторой степени объясняет ограничения электромобилей на автомагистралях и скоростных трассах, а также их преимущества в городском движении. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, электродвигатели создают крутящий момент с начала вращения и поддерживают его постоянным до достижения максимальной мощности, после чего значение крутящего момента падает. В качестве примера, BMW i3 предлагает максимальную мощность 170 л.с. и максимальный крутящий момент 250 Нм , но давайте посмотрим, как он распределяется:
- Электродвигатель BMW i3 обеспечивает постоянный крутящий момент 250 Нм от почти 0 оборотов двигателя до примерно 4.500 оборотов двигателя в минуту.
- В этом интервале от 0 до 4.500 оборотов в минуту мощность увеличивается от 0 до 170 лошадиных сил (127 кВт).
- Начиная с 4.500 оборотов в минуту начинают снижаться и крутящий момент, и мощность.
- При 8.000 оборотах в минуту двигатель BMW i3 развивает мощность около 150 лошадиных сил и крутящий момент 125 Нм.
Что можно сказать об этих цифрах? Что ж, в случае с двигателем BMW i3 можно с уверенностью сказать, что он очень резвый до 4.500 об/мин, что делает этот автомобиль очень быстрым при разгоне на низких скоростях. Фактически, он разгоняется до 100 км/ч с места всего за 7,3 секунды, что позволяет ему на равных конкурировать с BMW 120i.
Однако при оборотах выше 4.500 об/мин мощность и крутящий момент начинают снижаться, что негативно сказывается на разгоне и расходе топлива, который может удвоиться по сравнению с официальными показателями. Именно поэтому многие электромобили имеют режим «ECO» , который ограничивает их максимальную скорость до 90 или 100 км/ч , именно тогда как такой автомобиль, как BMW 120i, мог бы добиться очень низкого расхода топлива, поддерживая постоянную скорость.
Кстати, есть еще одно поразительное и интересное преимущество автомобилей, оснащенных электродвигателями: они менее чувствительны к спортивной езде или городскому трафику , а увеличение потребления энергии не так заметно, как в автомобиле с аналогичным двигателем внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что, обеспечивая такой высокий и относительно постоянный крутящий момент, двигатель может легче увеличивать свою скорость вращения или требует для этого меньшего крутящего момента.
Бензиновый крутящий момент по сравнению с крутящий момент дизельного двигателя по сравнению с крутящий момент наддува
В этом разделе нецелесообразно задерживаться слишком долго, поскольку различия в крутящем моменте, получаемом от бензинового и дизельного двигателей, обусловлены особенностями конструкции каждого из них и энергией, выделяемой при воспламенении соответствующего топлива.
Если рассматривать эти цифры в классическом ключе, то есть как сравнение атмосферных и инжекторных двигателей, или, скорее, как возвращение к 80-м годам , дизельные двигатели предлагали больший крутящий момент и работали на более низких оборотах по сравнению с бензиновыми двигателями , но с сегодняшней точки зрения их мощность может показаться даже невероятной.
В этой связи можно вспомнить начало статьи, где я объяснил, что теоретическая мощность автомобиля пропорциональна его крутящему моменту и угловой скорости. Для бензинового двигателя без наддува рабочий диапазон составляет приблизительно от 1.000 до 5.500 оборотов в минуту, а для дизельного двигателя без наддува — от 1.000 до 4.000 оборотов в минуту. В реальных условиях эксплуатации практический рабочий диапазон составляет от 2.000 до 4.000 оборотов в минуту для бензиновых двигателей и от 1.500 до 3.000 оборотов в минуту для дизельных двигателей.
Если мы оставим одну из переменных постоянной, например оборот при 2.000 оборотов в минуту, мы получим меньшую мощность дизельного двигателя, но в то же время он даст нам больший крутящий момент. О чем это? Ну, все просто, крутящий момент двигателя обусловлен линейным движением поршней в соответствии с воспламенением топлива в камерах цилиндров, а мощность, которая вырабатывается в зависимости от того, сжигается бензин или дизель, различна. Однако механическое объяснение справедливо для обоих случаев.
Электроника и наддув
Сегодня то, что я только что объяснил, останется в памяти самых ностальгирующих из нас. На самом деле, многие из вас, вероятно, заметили, что иногда производитель предлагает автомобили с разными показателями крутящего момента и мощности, полученными на одном и том же двигателе . Или даже автомобиль, имеющий режим «ECO» , позволяющий изменять эти показатели простым нажатием кнопки, как, например, в случае с Fiat Panda Cross TwinAir : в обычном режиме он выдает 90 л.с. и 145 Нм, а в режиме «ECO» — 78 л.с. и 100 Нм.
Это стало возможным благодаря техническим и, прежде всего, электронным достижениям, применяемым в автомобильной промышленности. Сегодня уже никого не удивляют системы изменения фаз газораспределения для автомобилей с многоклапанными головками цилиндров, дизельными и бензиновыми двигателями с одинаковой степенью сжатия или даже двигателями с изменяемой степенью сжатия. Но если и есть что-то, что представляет собой гигантский шаг вперед с точки зрения крутящего момента и мощности автомобиля, так это наддув.
Хотя его механическое объяснение может быть очень сложным, основной принцип работы наддува очень прост: повышение давления внутри камер цилиндров увеличивает силу, возникающую при воспламенении топлива, что заставляет поршни опускаться с большей силой и, следовательно, больший крутящий момент передается на коленчатый вал.
Как и следовало ожидать, его механическая реализация несколько сложнее и требует большой проработки его правильного расположения внутри капота автомобиля, новых впускных и выпускных коллекторов, специальных усилений в поршнях, шатунах, коленчатом вале... но основной принцип заключается в том, чтобы увеличить давление внутри камеры цилиндра, и это важно, чтобы связать его с крутящим моментом двигателя.
Турбонаддув может работать непосредственно от оборотов двигателя или от давления выхлопных газов. Сегодня электроника также добралась до турбонаддува, и новый Audi SQ7 TDI представил первый на рынке электрический турбокомпрессор , показавший поистине впечатляющие результаты: 435 л.с. в диапазоне от 3.750 до 5.000 об/мин и 900 Нм крутящего момента в диапазоне от 1.000 до 3.250 об/мин.
Крутящий момент вчера и сегодня
Еще не так много лет назад только самые осведомленные знали, что автомобиль с квадратными цилиндрами (диаметр = ход поршня) наиболее сбалансирован для вождения, что если ход поршня меньше диаметра, это будет мощный автомобиль, но со скромным показателем крутящего момента. и что если бы ход был больше диаметра, то было бы как раз наоборот, тише и с большим крутящим моментом.
Сегодня большинство двигателей относятся к модульным семействам , что позволяет производителям с относительной легкостью и минимальными изменениями предлагать блоки с большим или меньшим количеством цилиндров, а также бензиновые или дизельные двигатели; изменения крутящего момента и мощности определяются использованием и сочетанием различных технических и электронных решений, которые производитель хочет применить.
Несмотря на все то, что я объяснил в этой статье, реальность превосходит теорию во всех аспектах. На современном рынке мы можем найти шестицилиндровые двигатели с мощностью одной из восьми, трехцилиндровые двигатели, такие же плавные или более плавные, чем у других четырехцилиндровых двигателей аналогичной мощности, или даже дизельные двигатели с той же степенью сжатия, что и у бензиновых двигателей. Сегодня возможно все.
Главная цель этой статьи — в доступной форме объяснить, что такое крутящий момент, чтобы вы могли понять, как он влияет на повседневное вождение, и осознать, что мощность автомобиля, если она не связана с крутящим моментом, не является очень хорошим показателем его производительности. Надеюсь, мне это удалось.