Крутящий момент двигателя

Как можно увеличить крутящий момент двигателя?

1. Смена коленчатого вала. К недостатка метода можно отнести тот факт, что это редкая для многих марок авто деталь: часто ее делают на заказ. Кроме того, это снизит долговечность двигателя.
2. Расточка цилиндров. Более популярный метод, основанный на увеличении объема цилиндра. Метод доступен в большинстве автосервисных мастерских.
3. Настройка карбюратора. Зачастую используется в дополнение к расточке.
4. Увеличение турбонаддува. Доступно в моделях с турбированным двигателем. Тем не менее, снимая ограничения в блоке, который отвечает за управление компрессором – достаточно опасный способ, снижающий запас нагрузок в моторе. Тем, кто на него решается, также приходится прибегать к увеличению камеры сгорания, улучшению охлаждения, регулировке впускного клапана и смене распредвала, коленвала и поршней.
5. Изменение газодинамики. Еще один метод, который по плечу только профессионалам. К тому же, убирая ограничения можно столкнуться не только с выросшей динамикой, а и с ухудшением сцепления.
6. Использование масляного фильтра. Простой способ, снижающий засорение двигателя и продлевающий срок эксплуатации его запчастей.

Как видно, мотор – это сложный агрегат. Он уже рассчитан с использованием сложных инженерных формул и технологий, а значит, увеличение характеристики крутящего момента нежелательно

Если желание все же есть, стоит обратить внимание на два первых пункта. Можно, конечно, попытаться устранить заводские дефекты: убрать в камерах сгорания непродуваемые зоны и убрать в стыках заостренные углы, а также, неровности на клапанах

Но придется доверить эти операции специалистам своего дела.

Отдельно стоит сказать о так называемых усилителях КМ: их принцип основан на отборе мощности уменьшением оборотов, что не лучшим способом сказывается на долговечности конструкции. Подобные решения не увеличивают КМ, а позволяют его плавно менять на постоянных оборотах.

Какие факторы влияют на крутящий момент двигателя

Когда речь идет о максимальном значении крутящего момента двигателя, существует три разных, но взаимосвязанных ограничивающих фактора.

Механические свойства материалов

Во-первых, это механические свойства материалов. Хорошим примером такого подхода к проектированию являются разные серводвигатели.

Более дешевые сервоприводы с более низким крутящим моментом используют пластиковые шестерни, обычно сделанные из нейлона. Производство пластиковых шестеренок недорогое, что делает сервоприводы с нейлоновыми шестеренками более дешевыми в производстве, и, следовательно, их можно дешевле купить. Нейлоновые шестерни также более легкие, по сравнению с металлическими, что является важным фактором для робототехники и летательных аппаратов. Однако если на эти нейлоновые шестерни будет приложен слишком большой крутящий момент, они сломаются.

Сервоприводы с более высоким крутящим моментом содержат металлические шестерни, поэтому они могут выдавать более высокий крутящий момент без поломок.

Материалы, используемые в конструкции двигателя, играют огромную роль в определении того, какой крутящий момент двигатель будет способен создать.

Рисунок 4 – Двигатели изготавливаются из различных материалов, но, как правило, те, что изготовлены из металла, имеют более высокий крутящий момент, чем те, что изготовлены из нейлона или другого пластика.

Максимальное напряжение двигателя

Вторым фактором, влияющим на максимальный крутящий момент двигателя, является максимальное напряжение, на которое рассчитан двигатель. Если вы посмотрите на страницу характеристик любого сервопривода, вы найдете разные значения крутящего момента для разных напряжений. Более высокие напряжения дают двигателю большую мощность для обеспечения более высокого крутящего момента. Тем не менее, двигатель и его схема управления могут принимать ограниченное напряжение из-за возможности перегрева и сгорания. Максимальное напряжение, которое двигатель может принять без сбоев, влияет на величину его максимального крутящего момента.

Рисунок 5 – Максимальное напряжение двигателя указывается в технических характеристиках, представленных производителями. Связь между рабочим напряжением и крутящим моментом.

Тепловыделение двигателя

Это подводит нас к последнему фактору, ограничивающему максимальный крутящий момент двигателя. Поскольку двигатели работают, они генерируют ненужное тепло. Чем тяжелее работает двигатель, тем больше тепла он выделяет.

Для большинства двигателей, используемых в любительских проектах, от двигателей постоянного тока до сервоприводов и шаговых двигателей, создаваемое тепло просто излучается в воздух. У них нет активного охлаждения, как, например, в электромобиле. Следовательно, двигатель ограничен тем, какой крутящий момент (а также скорость) он может генерировать без риска сбоя по температуре.

На что влияет крутящий момент

Главная цель КМ – набор мощности. Часто мощные моторы обладают низким показателем КМ, поэтому не способны разогнать машину достаточно быстро. Особенно это касается бензиновых двигателей.

Высокий КМ также может влиять на управляемость машины, поэтому при резком увеличении скорости не лишним будет использование системы TSC. Она позволяет точнее направлять авто при резком разгоне.

Широко распространенный 8-клапанный двигатель ВАЗ выдает вращательный момент 120 (при 2500-2700 оборотах). Ручная коробка или АКПП стоит на машине – не принципиально. При использовании КПП немаловажен опыт водителя, на автоматической коробке плавный старт обеспечивает преобразователь.

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.

Как замеряют лошадей?

Измерить лошадиные силы двигателя автомобиля можно в условиях СТО, при наличии там соответствующего оборудования. Делать это можно при покупке авто, чтобы убедиться в целостности и работоспособности мотора, либо после его тюнинга, дабы узнать результаты проведенных работ.

Из оборудования необходимы стенд и компьютер с датчиками. Дальше машину загоняют на стенд, у которого имеются ролики. Колеса ставятся на свободно вращающиеся ролики и закрепляют стяжкой. Затем, испытатель давит на педаль газа, колеса вращаются и машина едет по роликам, формально оставаясь на стенде.

Параллельно с этим, подключенное оборудование следит за работой агрегата. Компьютер может вывести массу данных: не только л.с. или киловатты, но и график разгона, его кривую. Анализируя ее, исследователи и тюнеры могут понять, на каких отметках мотор испытывает проблемы с разгоном и работой, следовательно, исправить неполадки, подогнать трансмиссию к оптимальному переключению передач или внедрить какие-нибудь другие фишки для улучшенных ходовых характеристик.

Влияние крутящего момента ДВС на характеристики автомобиля

Величина крутящего момента выступает тем самым фактором, который непосредственным образом задает динамику разгона автомобиля. Если вы — заядлый автолюбитель, то могли заметить, что разные автомобили, но с одинаковым силовым агрегатом, по-разному ведут себя на дороге. Или на порядок менее мощный автомобиль на дороге превосходит того, у которого под капотом лошадиных сил больше, причем даже тогда, когда сравнимые авто имеют одинаковые размеры и вес. Причина заключается как раз в разнице в крутящих моментах.

Лошадиные силы можно представить как индикатор выносливости мотора. Именно этот показатель определяет скоростные возможности автомобиля. Но поскольку крутящий момент является разновидностью силы, то непосредственно от его величины, а не от количества «лошадей», зависит то, насколько быстро автомобиль сможет достичь максимального скоростного режима. По этой причине далеко не каждое мощное авто обладает хорошей динамикой разгона, а те, что способны разгоняться быстрее других, необязательно оснащены мощным двигателем.

Вместе с тем высокий крутящий момент еще не гарантирует сам по себе отличную динамичность машины. Ведь кроме прочего, динамика увеличения скорости, а также способность авто к резвому преодолению подъемов участков, зависит от диапазона работы силовой установки, передаточных чисел трансмиссии, отзывчивости педали газа. Наряду с этим нужно учитывать, что момент существенно понижается из-за различных противодействующих явлений — сил качения колес и трения в различных автомобильных узлах, из-за аэродинамических и прочих явлений.

Что такое крутящий момент

Грубо говоря, крутящий момент – это некая величина, которая демонстрирует тяговые возможности двигателя, «силу», с которой двигатель может вращать коленвал.

В школьном курсе физики этот показатель определяется как произведение силы на «рычаг», к которому эта самая сила приложена. Сила измеряется в Ньютонах, величина «рычага» — в метрах, получается единица измерения крутящего момента – Ньютон/метр.

Эта «сила» непостоянна, она зависит от оборотов двигателя. Максимальный крутящий момент может быть достигнут только при определённых оборотах (как правило, возле цифры в Нм в скобках пишут, при каких оборотах этот показатель достигается).

Разумеется, величина момента связана мощностью двигателя, но зависимость эта не прямолинейна, поскольку момент зависит так же и от качества наполнения цилиндров двигателя топливной смесью. Поэтому для каждого двигателя производитель всегда даёт две характеристики – мощность при определённых оборотах, а так же крутящий момент при определённых оборотах.

Как рассчитывается мощность двигателя?

Расчет мощности мотора проводится несколькими способами. Самый доступный способ – через крутящий момент. Умножаем крутящий момент на угловую скорость – получаем мощность двигателя.

N_дв=M∙ω=2∙π∙M∙n_дв

где:

N_дв – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент, Нм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек;

π – математическая постоянная, равная 3,14;

n_дв – частота вращения двигателя, мин-1.

Мощность рассчитывается и через среднее эффективное давление. Камера сгорания имеет определенный объем. Разогретые газы воздействуют на поршень в цилиндре с определенным давлением. Двигатель вращается с некоторой частотой. Произведение объема двигателя, среднего эффективного давления и частоты вращения, поделенное на 120, и даст теоретическую мощность двигателя в кВт.

N_дв=(V_дв∙P_эфф∙n_дв)/120

где:

V_дв – объем двигателя, см3;

P_эфф – эффективное давление в цилиндрах, МПа;

120 – коэффициент, применяемый для расчета мощности четырехтактного двигателя (у двухтактных ДВС этот коэффициент равен 60).

Для расчета лошадиных сил киловатты умножаем на 0,74.

N_(дв л.с.)=N_дв∙0,74

где:

N_дв л.с. – мощность двигателя в лошадиных силах, л. с.

Другие формулы мощности двигателя используются в реальных расчетах реже. Эти формулы включают в себя специфичные переменные. И чтобы измерить мощность двигателя по другим методикам, нужно знать производительность форсунок или массу потребленного двигателем воздуха.

На практике расчет мощности автопроизводители выполняют эмпирическим способом, то есть замеряют на стенде и строят график зависимости по факту, на основании полученных во время испытаний показателей.

Мощность двигателя – величина непостоянная. Для каждого мотора есть кривая, которая отображает на графике зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала. До определенного пика, примерно до 4-5 тысяч оборотов, мощность растет пропорционально оборотам. Далее идет плавное отставание роста мощности, кривая наклоняется. Примерно к 7-8 тысячам оборотов мощность идет на спад. Сказывается перекрытие клапанов на большой частоте вращения коленвала и падение КПД мотора из-за недостаточно интенсивного газообмена.

Чтобы узнать мощность двигателя, обратитесь к инструкции по эксплуатации авто. В разделе с техническими характеристиками мотора будет указана мощность и обороты, при которых она достигает пикового значения. Если мощность указана киловаттах, чтобы рассчитать лошадиные силы двигателя, воспользуйтесь приведенной выше формулой. В некоторых случаях автопроизводитель предоставляет график, на котором есть зависимость мощности двигателя и крутящего момента от частоты оборотов.

Различные типы двигателей

Как мы с вами уяснили, чем на меньших оборотах наступает максимальный крутящий момент — тем лучше, но какие моторы могут под это подходить? И вообще у каких «большой запас» этого момента? Ведь обычный бензиновый четырехцилиндровый атмосферник, выходит на свой номинал примерно в 5000 – 6000 оборотов.

НО есть моторы, которые выдают достаточно большие моменты, причем наступают они при достаточно низких оборотах. Это многоцилиндровые моторы, а также  «V» – образные типы, начиная с V6 – V8. Турбированные агрегаты, имеют большой запас момента, даже при относительно малых объемах.

Однако абсолютным рекордсменом являются дизельные варианты, особенно те которые устанавливались на трактора, ведь здесь важна тяга именно на низах (скорость на трассах абсолютно не нужна). Такие варианты выходят на номинал, уже при 1500 оборотов, просто представьте! Такие агрегаты называют «тяговитыми» из-за быстрого набора крутящего момента.

Условно моторы можно разделить на четыре лагеря:

• Это обычные атмосферники, 4 цилиндра.
• Многоцилиндровые агрегаты, от 6 до 12 «горшков», сюда же можно записать и V – образные.
• Это турбированные моторы
• Дизельные агрегаты

Про «многоцилиндровые» (второй тип) сейчас особо заострять не буду, здесь понятно, что чем больше цилиндров – тем больше мощность и соответственно крутящий момент. Минус только в том что эти агрегаты тяжелые, прожорливые, и очень большие по размерам.

А вот остальные три типа стоит сравнить для полного понимания, возьмем три мотора от нового KIA SPORTAGE, смотрим таблицу.

Бензиновая атмосферная «четверка», развивает максимальную мощность только при 6200 оборотах в минуту, зато максимальный крутящий момент наступает уже при 4000 оборотов. Турбо вариант, 177 л.с при 5500 оборотов, но момент здесь намного выше 265 в диапазоне от 2000 до 4500 об. Но рекордсменом по л.с. и крутящему моменту идет дизель, 185 л.с. при 4000 об/мин, и крутящий момент 400! (просто вдумайтесь) в интервале 1750 – 2750 об/мин.

Как видите бензиновые агрегаты проигрывают дизелю в моменте (обычный атмосферник примерно в 2 с небольшим раза). Причем максимальной отдачи можно достичь только при 4000 об/мин. Зато бензиновый мотор легко крутится до 6200, а то и больше 7000 – 8500 об/мин, что позволит развить ему большую мощность. Дизель же не может похвастаться высокими оборотами, максимальная полка зачастую всего 4000 — 5000 об/мин, поэтому они могут проигрывать в максимальной мощности своим бензиновым собратьям.

НА старте бензиновый мотор выиграет у дизельного агрегата! Почему? ДА все просто, бензиновый агрегат можно крутить до 6500, а в редких случаях до 8000 об/мин, не переключая передачи. А вот дизель достигнет пик своего момента максимально быстро (уже при 1750 об/мин) и вам нужно будет тратить время на переключение, далее еще одна передача и т.д. Конечно эта ситуация справедлива для механики, на многих современных автоматах переключения происходят максимально быстро. ДА и для того чтобы тягаться с дизелем бензину, всегда нужно будет держать повышенные обороты, чтобы сравняться в мощности. Например, при 90 км/ч на трассе, чтобы ускориться на бензиновом агрегате, нужно скинуть передачу пониже (увеличивая обороты — увеличиваем мощность), а вот дизелю делать этого не нужно!

Увеличение крутящего момента двигателя – приемы модернизации

Такая величина, как крутящий момент, совсем мало зависит от того, насколько быстро вращается коленвал, так как он определяется объемом мотора и давлением в цилиндре. Существует несколько способов, с помощью которых его можно увеличить:

Чип тюнинг двигателя

Первый вариант тюнинга заключается в оптимизации всего, с чем работает агрегат. Система выпуска и заводские распределительные валы заменяются аналогами, с более высокой производительностью. Далее стоит заменить воздушный фильтр, дроссельную заслонку. Этот подход относительно прост и не затратный, однако можно рассчитывать на прирост мощности не более, чем на 20-30%.

Второй путь – модификация двигателя. Здесь предстоит несколько изменить характеристики двигателя. Данный способ идеален для инжекторных авто. Его суть в программном изменении чипа, подающего сигналы основным устройствам транспортного средства

Однако действовать нужно предельно осторожно, тщательно подбирая изменения, которые будут внесены

В результате такой сложной модификации, крутящий момент авто может увеличиться на 5-20%. На расходе топлива это сильно не отобразится, а в некоторых случаях он даже может снизиться. Помимо этого, достаточно высокие результаты даст прошивка.

Распределительный вал

Когда есть возможность, можно заменить обычный распредвал на спортивный, прирост производительности сразу даст изменение программы, которая управляет подачей рабочей смеси. Спортивный распределительный вал отличается от стокового профилем кулачков, а соответственно – фазами газораспределения. Это значит, что, таким образом можно добиться эффективной подачи рабочей смеси. Чем ее больше – тем больше давление на поршень. Такие действия способствуют к увеличению крутящего момента.

Доработка головки блока цилиндра

Значительный прирост производительности даст турбирование агрегата. В не модифицированном моторе сгораемая смесь, которая впускается головкой блока цилиндра, эффективно всасывается тактом. В случае модификации, смесь подается непосредственно турбиной, что позволяет существенно увеличить объем сгораемого газа, а значит и увеличить мощность.

Рабочий объем

Действенный метод увеличить крутящий момент – увеличить рабочий объем. Для этого шатуны, поршни и коленчатый вал меняются на аналоги, только с лучшими характеристиками. Такая модификация несколько увеличит крутящий момент, но только между низкими и средними оборотами агрегата. Это значит, что для получения необходимой мощности теперь не придется раскручивать мотор до максимально высоких оборотов, что положительно скажется на рабочих характеристиках.

Камера сгорания

Прирост мощности мотора даст возможность уменьшить камеру сгорания, поскольку уменьшение объема незначительно увеличит степень сжатия. Для того чтобы уменьшить камеру сгорания, вероятнее всего, придется фрезеровать головки блока цилиндра. Помимо этого, можно попробовать подобрать поршень такого размера, чтобы он занимал больший объем в верхней части. Однако стоит учитывать, что в 16-от клапанных моторах поршень, как правило, вплотную приближен к клапанам, поэтому заменить его поршнем иной формы не получится.

Поршни

Еще один способ увеличит крутящий момент – поршни двигателя заменить на более легкие аналоги. Это поможет уменьшить нагрузку на коренные шейки и коленчатый вал. Легкие поршни не так инертны, а значит – они намного легче смогут останавливаться в «мертвых точках».

Так же можно поставить поршни большего диаметра. Для этого придется расточить блоки цилиндров, однако это так же негативно скажется на динамических свойствах мотора: может уменьшиться ресурс двигателя. Прибегать к данному способу стоит в исключительных случаях.