Эластичность мотора что это
Что важнее: крутящий момент или мощность двигателя?
Так уж повелось, что любого автолюбителя при оценке способностей машины в первую очередь интересует такой показатель, как мощность. Но не менее важной характеристикой является крутящий момент. И вот почему
Несмотря на то, что гужевой транспорт давно «канул в Лету» и «л. с.» является персоной нон-грата в международной системе классификации, «лошадиная» единица измерения мощности продолжает пользоваться спросом. Причем не только у простого люда, но и на государственном уровне. Для этого достаточно взглянуть на квитанцию об уплате транспортного налога.
Между тем, появившаяся в период промышленной революции «л. с.» весьма условна. А все потому, что она определяет относительный уровень производительности среднестатистической лошади путем определения усилий, необходимых для подъема 75-килограммового груза на один метр за одну секунду. Новая единица измерения, взятая на вооружение фабрикантами для оценки превосходства стационарных механизмов над животными, со временем перекочевала в мир подвижного состава.
Позже шотландский инженер Джеймс Уатт ввел в обращение официальную единицу измерения мощности своего имени – «Вт», которую для удобства использования укрупнили до «кВт». Ватт, синхронизированный с л. с. в соотношении 1 кВт = 1,36 л. с., так и не добился всеобщей любви, оставив пальму первенства конской силе. Однако мощность мощностью, но, как говорится, двигает машину не она, а крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах (Н∙м).
Что такое крутящий момент?
У многих автомобилистов нет адекватного представления о том, что это за «зверь». О нем, впрочем, как и о мощности, бытует расхожее мнение: чем больше, тем лучше. По сути, это тесно связанные характеристики. Мощность в ваттах не что иное, как крутящий момент в ньютон-метрах, умноженный на число оборотов и на 0,1047. Другими словами, мощность демонстрирует количество работы, выполняемой двигателем за определенный промежуток времени, а крутящий момент отражает способность силового агрегата эту работу совершить. Если, скажем, автомобиль завяз в глинистом грунте и обездвижился, то производимая им мощность будет равняться нулю. Ведь работа не совершается. А вот момент, хотя его и не хватает для движения, присутствует. Крутящий момент без мощности существовать может, а мощность без момента — нет.
Главным достижением работающего мотора при превращении тепловой энергии в механическую является момент, или тяга. Высокие моментные значения характерны для дизельных двигателей, конструктивная особенность которых – большой (больше диаметра цилиндра) ход поршня. Большой крутящий момент у дизеля нивелируется относительно низким допустимым числом оборотов, которые ограничивают для увеличения ресурса. Высокооборотистым бензиновым моторам свойствен «крен» в сторону мощности, ведь их детали отличаются меньшим весом. И степень сжатия тоже ниже. Правда, современные силовые агрегаты – и дизельные, и бензиновые – совершенствуясь, становятся ближе и конструктивно, и по показателям. Но пока банальное правило рычага сохраняется: выигрывая в силе, проигрываешь в скорости. И, соответственно, в расстоянии.
Лучшие черты двигателя определяются совокупностью оптимальных значений мощности и тяги. Чем раньше наступает максимум крутящего момента и чем позже пик мощности, тем шире диапазон возможностей силового агрегата. Близкие к оптимальным характеристики имеют электрические двигатели. Они располагают тягой, близкой к максимальной, практически с начала движения. В то же время значение мощности прогрессивно возрастает. Существенным фактором в вопросах определения мощности и крутящего момента являются обороты двигателя. Чем они выше, тем большую мощность можно снять.
Принцип максимальной отдачи мощности красноречиво иллюстрируют моторы болидов «Формулы-1», имеющие весьма скромный объем (1,6 литра) и относительно невысокий показатель тяги. Но за счет наддува и способности раскручиваться до высоких оборотов выдают порядка 600 л. с. Плюс к тому, конструкция у «Ф1» – гибридная, и электродвигатель, дополняющий основной мотор, при необходимости добавляет еще 160 «лошадей».
Важной характеристикой, отражающей возможности мотора, является диапазон оборотов, при котором доступна максимальная тяга. Но еще важнее эластичность двигателя, то есть способность набирать обороты под нагрузкой. Другими словами, это соотношение между числами оборотов для максимальной мощности и оборотов для максимального крутящего момента. Оно определяет возможность снижения и увеличения скорости за счет работы педалью газа без переключения передач. Или возможность езды на высоких передачах с малой скоростью. Эластичность, к примеру, выражается способностью автомобиля разгоняться на пятой передаче с 80 до 120 км/ч на пятой. Чем меньше времени займет этот разгон, тем эластичнее двигатель. Из двух двигателей одинакового объема и мощности предпочтителен тот, у которого выше эластичность. При прочих равных условиях такой мотор будет меньше изнашиваться, работать с меньшим шумом и меньше расходовать топливо, а также облегчит работу трансмиссии.
А если все-таки задаться вопросом о том, что важнее – крутящий момент или мощность, деля мир на черное и белое, ответ будет предельно прост: так как это зависимые величины, важно и то и другое.
Тест на эластичность современных ТАЗо-моторов.
Итак, появилась идея сравнить тягу современных тазо-моторов, на низких и средних оборотах (обычная городская эксплуатация), которые в настоящее время ставятся на, собственно, ТАЗы.)) В наличии имелось три «участника»:
1-Гранта в минимальной комплектации. Мотор 1,6 — 8 клапанов (обновлённый 2114). Резина 185х60 R14 на штампах. Масло Шел Хеликс 5-40. Пробег — 27,000 км.
2-Приора «люксовая». Мотор 1,6 — 16 клапанов (короче понятно…). Резина 185х55 R15 на литье. Масло Мобил-1 5-30. Пробег 23,000 км.
3-Калина-2 (моя) «люксовая». Мотор — 127, 1,6 — 16 клапанов. Резина 185х55 R15 на литье. Масло Герман Оил 5-40. Пробег 2,500 км.
Тест производился в трёх «наминациях»)):
1-Разгон на 2-й передаче с 30 до 70 км/ч. (Диапазон оборотов: 2030-4730 если быть точным).
2-Разгон на 3-й передаче с 30 до 70 км/ч. (диапазон оборотов: 1400-3280).
3-Разгон на 4-й передаче с 60 до 100 км/ч. (диапазон оборотов: 1950-3260).
Тест проводился по четыре раза в противоположных направлениях (по 2 раза в каждом) на ровном участке трассы. Резултат округлялся до десятых. В машине 2 человека (водитель и чувак с секундомером). Спидометры машин предварительно были сверены между собой (проехали по трассе на 100 км/ч друг за другом в течении примерно 30 секунд — отрывов друг от друга не замечено)
Моторы всех трёх участников в отличном состоянии (по замерам компрессии), масло не жрут, свечи чистые, нагара в трубе нет. Давление в колёсах у всех по 2 бара)). Воздушные фильтры новые, давление топлива в идеале, ошибок ЭБУ нет.
-В первом тесте (на 2-й передаче) победу одержала Калина-2 с результатом — 4,6с, второй результат у Приоры — 5,0с, третий у Гранты — 5,3с.
-Во втором тесте (на 3-й передаче) первое место разделили Гранта и Калина-2 с результатом — 7,3с, у Приоры — 7,8с.
-В третьем тесте (на 4-й передаче) первое место снова досталось Калине-2 с результатом — 11,0, второе место разделили Приора и Гранта — 12,2с.
Надеюсь кому-то будет интересно данное наблюдение… Благодарю за внимание.
Двигатель. Эластичность
На заре эры турбостроения характеристики таких двигателей были, мягко говоря, своеобразными и далекими от идеала. Но время показало правоту инженеров в подходе повышения отдачи. С развитием технологий модернизируются и силовые агрегаты, приобретая все более совершенные внешние скоростные характеристики. Однако еще в те дремучие времена сложилась целая система стереотипов об обязательных свойствах таких автомобилей:
– турбояма;
– турболаг;
– запредельный расход топлива.
Такое мнение можно встретить до сих пор, главным образом среди людей, которые, никогда не имели удовольствия познакомиться с наддувом. Признаюсь, в общем-то, я и сам был отчасти удивлен, попробовав в эксплуатации новый мотор. Скажем так, недостатки эти есть, но масштабы их сильно преувеличены. И чем новее и совершеннее двигатель, тем в меньшей степени он наследует эти качества. Для наглядности опишу одну ситуацию, иллюстрирующую то, как будучи поставленным в самое невыгодное положение, далеко не самый высокотехнологичный мотор все равно показывает интересные результаты.
Кольцевой перекресток. Въезжаю на внешнюю полосу в спокойном темпе: третья передача, скорость что-то около 50 км/ч. Во внутренней полосе движется еще одна машина, уверенно догоняю её и ровняюсь. Беглый взгляд, обращаю внимание, что это новенькая иномарка. Бюджетный сегмент, популярная модель, свежая модификация. Чистенькая беленькая машинка. Одним словом, мечта обывателя. Такие имеют моторчики 1,6 мощностью порядка 100+ сил. Но не буду конкретизировать, дабы не обидеть владельцев оных.
Выхожу с кольца на торможении двигателем. Выясняется, что тому парню надо на ту же улицу, но он, кажется, забыв про правила проезда перекрестков и сигналы поворота, режет прямиком со второй полосы. К кольцу примыкает небольшой треугольный островок и четко разграничивает въезд и выезд с него. Но полосы очень широкие, и у самой горловины могут вполне поместиться два автомобиля. Я как бы сделал все правильно, к тому же уже на полкорпуса впереди, естественно, уступать резона нет. Сигналю, чтобы дать понять о своих намерениях. Впереди автобусная остановка и пешеходный переход, плавно притормаживаю, чтобы пропустить людей. Дистанция позволяет, и я, не выключая передачу, просто качусь на оборотах чуть выше холостого хода на скорости 30 км/ч.
Путь свободен, я слегка нажимаю на акселератор и начинаю плавно ускоряться. Но вот незадача: за остановкой полоса движения уже не такая широкая, и две машины там совсем не помещаются. Смещаюсь вдоль края дорожного полотна влево. Но мой оппонент возмущен: его теснит древний убогий российский унивесрал, на коих рассаду возят. Еще и грязный. Наверняка, только что с дачи тащит домой полный салон всяких растительных материалов.
Он идет крыло в крыло со мной и даже уже вылез на встречную полосу левыми колесами. Благо, встречного потока почти нет. Понимаю, что пора прекратить это, пока не перешло в аварийную ситуацию, и нажимаю педаль газа до упора. Передача все та же третья, скорость около 40 км/ч, под капотом проснулся грузовичок. Но противник решает пойти ва-банк. До моих ушей доносится звук высоких оборотов, а периферийным зрением я вижу, как резко подскочил передок его автомобиля. Судя по всему, водитель переключился на 1ю передачу. И благодаря такому ходу он выпрыгивает на целую треть корпуса вперед. Однако нарастающий свист из-под моего капота свидетельствует о том, что цепная реакция уже запущена, и я ничего не могу изменить. Точнее, не хочу. Хотя и мало что могу тоже: остановить машину на таком разгоне равносильно попытке поймать стрелу из катапульты у самой амбразуры. По ощущениям скорость уже за 60, но я не смотрю на приборы, ибо сейчас сконцентрироваться надо на другом. Берусь обеими руками за руль, полностью откидываюсь на сиденье и устремляю свой взор на дорогу. Полоса чиста на полторы сотни метров вперед, обочины хорошо просматриваемы. Белый болид все еще маячит сбоку: видимо, переключился на вторую. Фургон тоже ускоряется, но это лишь начало. Свист становится все громче, но через считанные мгновения его грубо перебивает рев выхлопа. Передок слегка приподнимается под напором крутящего момента, и 111я будто берет разбег для взлета. Краем глаза посматриваю на тахометр: последние секторы пролетают за считанные мгновения. Все, разметка оборотов закончилась, значит, скоро отсечка. Переношу ногу на тормоз и плавно замедляю фургон. Невнятный отрывистый чих из подкапотного пространства, как будто двигатель просквозило ветерком от быстрой езды, и он простыл.
Догоняю какую-то легковушку. Плетусь за ней все еще на третьей, полностью бросив газ. Мотор недовольно бубнит, мол, хозяин, хорош выделываться, езжай домой спокойно. Внимательный взгляд в зеркало заднего вида. В сотне метров позади виднеется маааленькое белое пятнышко. Конечно, ведь никто и не думал ни с кем тягаться. Это всего лишь цепочка случайностей на дороге…
В русских народных сказках часто можно встретить фразу «скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается». Тут же все наоборот: вы будете читать все мои эпитеты и метафоры, по меньшей мере, минуты три. В то время как согласно данным телеметрии машина делает упражнение 40-120 км/ч на 3й передаче всего за 7,3 секунды. А сами события – чистая быль.
Популярные автомобили
Что такое крутящий момент?
Среди автомобилистов немало разночтений по коренным вопросам: мощность двигателей и их крутящий момент, рабочий объем и степень сжатия. Чем 4-тактный д.в.с. отличается от 2-тактного, а двигатель Дизеля от Отто? Ради чего регулируют фазы газораспределения? Зачем применяется наддув и почему автомобильному д.в.с. нужна коробка передач? Что такое дифференциал — и т.п. Давайте поговорим – без спешки.
Какую мощность развивает конь в упряжке? Странно, но средняя лошадь выдает при длительной работе только 0,8 л.с.; во всяком случае, именно такой показатель закладывали (и закладывают) обычно в инженерные и экономические расчеты по гужевому транспорту и пр. Считается также, что мужчина средних лет и обычной физической подготовки развивает (опять же при длительной работе) около 0,1 л.с. Немного, но и человек, и лошадь способны напрячься и несколько секунд выдавать гораздо больше – в разы. Конь вытаскивает телегу, застрявшую в разбитой колее, а моторчик внутреннего сгорания мощностью в 2 (две!) л.с. просто глохнет. Крутящего момента не хватило…
Золотое правило механики
Так что же такое крутящий момент и как он связан с мощностью двигателя? Вспомните среднюю школу: мощность определяется произведением силы на скорость (с какими-то коэффициентами в зависимости от единиц измерения) – для поступательного движения. Допустим, тянете вы груз с усилием в 12 кг и со скоростью 1 м/сек. (3,6 км/ч); тогда ваша мощность – 12 кгм/сек. То есть, 0,16 л.с.[Европейская (парижская) лошадиная сила считается 75 кгм/сек. Англо-американская практика вся запутана футами и фунтами, так что британская лошадиная сила (bhp) равна 1,0139 л.с. по «континентальному» счету.]; неплохо. Космический ракетный двигатель развивает тягу в 100 т при скорости 12 км/сек., значит, его мощность – 16 млн л.с.!
Или же мощность определяется произведением крутящего момента [В свою очередь крутящий момент (он имеет смысл при вращательном движении) равен произведению силы на плечо ее действия. Когда к рычагу плечом в 1 м прилагается усилие в 10 кг (перпендикулярно плечу!), то тем самым создается крутящий момент в 10 кгм. Или в 98 Нм – кому как нравится.] на частоту вращения вала – для вращательного движения. Вот и все, остальное – арифметика. Если на валу мотора при 6000 мин-1 (в просторечии оборотов в минуту) замерен крутящий момент в 10 килограммометров, то его мощность равна 83,775 л.с. Или 61,6 кВт – в других единицах измерения [Один кВт равен 1,36 «континентальной» л.с. – даже в Африке.]. Причем неважно, о каком именно двигателе идет речь – о паровой машине, газовой турбине, поршневом д.в.с. или электромоторе; арифметике без разницы.
Момент силы F на плече R; крутящий момент равен F x R
И что же нашему брату, автомобилистам, нужно – мощность двигателя или его крутящий момент? Вот притча: вынесли вы на рынок картошку и хотите сбыть ее по 35 руб. за кг. Вроде как главное для вас – хорошая цена. Продали пару кило – по 35, а больше не берут; дорого. Тут-то и выясняется, что для вас важна не столько цена – за кг, – сколько общая выручка от продажи 2 центнеров картошки.
Так и с моторами: нередко автомобилисты заявляют, что для них главное – момент, тяга, а мощность – дело десятое. Ровно наоборот – как в старом анекдоте: дай нам, Господи, мощность, а крутящий момент мы уж как-нибудь сами…
Пусть микролитражный моторчик развивает 10 л.с. при 6 тыс. оборотов. То есть, крутящий момент на его маховике – 1,2 кгм (11,7 Нм). Вам нужно 100 Нм? Ради Бога: ставим понижающий редуктор (с передаточным числом 8,55), – и вот вам 100 Нм на выходном валу [Забудем пока о (неизбежных) потерях мощности в редукторе.]. Причем мощность – за вычетом потерь – остается, естественно, той же. Хотите 1000 Нм? Пожалуйста, возьмите редуктор с передаточным числом 85,5; вопрос подбора шестеренных пар…
Но! При моменте в 100 Нм на выходном валу редуктора его обороты уже не 6000 мин-1, а только 700 с небольшим. Золотое правило механики: выигрывая в крутящем моменте (в силе), проигрываем в частоте вращения (в скорости). А 1000 Нм вы получите и вовсе при 70 мин-1; слишком медленно. Так вы хотите и крутящий момент, и обороты! И рыбку съесть, и не поцарапаться. Вам нужно продать по 35 руб. не 2-3 кг картошки, а много. Так и скажите: для меня главное – выручка. Для меня главное – мощность двигателя.
Мощность!
Допустим, катите вы в легковушке по ровной дороге с усовершенствованным покрытием; скорость постоянная – 100 км/ч. Тяга от двигателя в пятнах контакта ведущих колес с ходовой поверхностью в сумме как раз покрывает силы сопротивления воздуха и качения покрышек; для вашего авто (с его аэродинамикой, весом, шинами и давлением в них): положим 54 кг. То есть, крутящий момент на оси (при радиусе качения колес, скажем, 265 мм) равен 140 Нм, обороты колес – около 1000 мин-1, а расходуемая мощность – 1500 кгм/сек. или 20 л.с. С учетом потерь в трансмиссии – от маховика до пятна контакта – от мотора требуется мощность около 22,5 л.с.; легко.
А чтобы ехать на две «сотни»? При удвоении скорости, силы сопротивления возрастают примерно вчетверо – по квадрату. Иначе говоря, потребная мощность увеличивается в 8 раз (4 х 2) – по кубу скорости! От двигателя нужны теперь 170-180 л.с. на маховике, поэтому далеко не каждый автомобиль способен набрать скорость в 200 км/ч.
Это – при равномерном движении; а если вы хотите еще и разгоняться (или идти на подъем), необходима свободная мощность. Скажем, те же 22,5 л.с. на скорости 100 км/ч – плюс еще 10 л.с. на ускорение физического тела; II закон Ньютона. Или 50 л.с. – тогда разгон энергичнее.
Как видите, и скорость автомобиля, и динамика его разгона зависят от мощности двигателя; как же ее поднять? Держать крутящий момент до высокой частоты вращения вала. Скажем, довести обороты того же микролитражного моторчика до 12 тыс. – при неизменном моменте в 11,7 Нм. Значит, его мощность увеличивается ровно вдвое – до 20 л.с. В общем, тут такое соотношение:
где P – мощность двигателя (л.с.) при n мин-1, M – его крутящий момент (кгм) при тех же оборотах. А 1/716,2 – просто коэффициент размерности.
К сожалению, повышать частоту вращения вала поршневого двигателя очень непросто: силы инерции, нагрузки, трение. Ведь если раскрутить мотор от 6000 до 12000 мин-1, то силы инерции, которые нагружают детали конструкции, возрастают вчетверо. Нелинейно – по квадрату оборотов. И когда 2,4-литровые «восьмерки» в Формуле 1 развивают максимальную мощность при 19500 мин-1, то силы инерции при такой частоте выше, чем при 6 тыс. оборотов, вовсе не в 3,25 раза. А в 3,25 х 3,25 = 10,5 раз! Внутреннее трение нарастает еще быстрее (от 6 до 19,5 тыс. раз в 35); к тому же ухудшается наполнение цилиндров топливовоздушной смесью – и крутящий момент неотвратимо падает. Поэтому у каждого двигателя есть точка перегиба на кривой мощности по частоте вращения вала. У каждого своя, но после точки перегиба мощность по оборотам уже не повышается, а наоборот – падает. Не говоря уже об опасности перекрутить мотор и разрушить его стремительно нарастающими силами инерции.
Есть и другой путь: увеличивать крутящий момент. Тут главный прием – наддув: прокачивайте через ваш моторчик вдвое больше воздуха (и соответственно горючего), и крутящий момент повысится, грубо говоря, в 2 раза – при тех же оборотах. И всего делов. Правда, нарастают тепловые нагрузки, возникают другие головные боли…
Теперь забудем про редукторы; вы нередко видите графики крутящего момента и мощности двигателей по оборотам – так называемая внешняя скоростная (внешняя – потому что при полном «газе», а скоростная – поскольку по скорости вращения вала) характеристика. Так вот, вам достаточно видеть одну из кривых – либо момента, либо мощности; все равно. Другая восстанавливается из первой – и наоборот. Их приводят обе просто для удобства, – чтобы вам не заниматься сложнейшими арифметическими расчетами.
Скоростная характеристика бензиновой «шестерки» GS450h: наибольший крутящий момент при 4800 мин-1, влево он уменьшается. А ниже 1000 оборотов лучше вообще не опускаться
То есть, связь между крутящим моментом, оборотами вала и мощностью двигателя однозначная – как между длиной основания треугольника, его высотой и площадью. Независимо от того, прямоугольный он, косоугольный и какого цвета.
Скоростная характеристика тягового э-мотора Lexus GS450h: наибольший крутящий момент при 0 оборотов!
И забавно, когда фирменный пресс-релиз прокалывается по простейшему правилу, – скажем, на web-сайте новоявленной калифорнийской компании DiMora Motorcar. По проекту ультра-люкс-седана Natalia, максимальная мощность 16-цилиндрового(!) мотора Volcano превышает 1200 л.с. Наибольший крутящий момент – 1220 Нм (900 футо-фунтов); однако тут не сходится. По сведениям от DiMora же, «отсечка» срабатывает на 6500 мин-1; значит, максимальная мощность достигается при 6000-6250. Но тогда наибольший момент ну никак не меньше 1400 Нм, а вернее все 1500. Арифметика: 2 х 2 = 4 и в солнечной Калифорнии.
Эластичность двигателя
Взгляните еще раз на кривую крутящего момента: она дает ключевую характеристику двигателя – его эластичность. Надо сказать, у автомобильных д.в.с. кривая неблагоприятная – то ли дело у газовой турбины, паровой машины, электромотора. Они выдают наибольший крутящий момент при низких оборотах – и даже при полной остановке вала. То есть, как лошадь: замедляют ход, напрягаются – и вытаскивают повозку. А попробуйте остановить вал ВАЗовской «четверки» или 12-цилиндрового двигателя Rolls-Royce – они попросту заглохнут.
График крутящего момента у обычного д.в.с. левее 1000 мин-1 обычно и не рисуют; он не способен работать на оборотах ниже «холостого хода». Тогда как у э–мотора кривая поднимается к 0 оборотов – примерно по гиперболе; исключительная эластичность. При увеличении нагрузки (крутой подъем и т.п.) э–мотор теряет обороты – и увеличивает крутящий момент; сопротивляется до упора! А д.в.с. при падении частоты вращения (ниже «пиковых» по крутящему моменту) сопротивляется все слабее – и в конце концов останавливается. Две большие разницы, как говорят в Одессе.
Отсюда, кстати, идея «гибридных» бензин-электрических силовых агрегатов: тяговый э–мотор принимает на себя нагрузку именно там, где д.в.с. беспомощен. На самых «низах»; а обычно автомобильный двигатель выдает наибольший крутящий момент где-то при промежуточных частотах вращения вала. Причем у «остро» настроенного мотора пик момента сдвинут к высоким оборотам, а при низких он тянет слабо. Тогда и говорят о выраженном «подхвате»; ничего тут хорошего нет.
Так что же все-таки важнее – крутящий момент или мощность? Ответ: разумеется, нужен крутящий момент – в широком диапазоне оборотов! В том числе и при самой высокой частоте вращения вала, – то есть, мощность.