что такое оборот машины
Мощность двигателя и крутящий момент
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) это устройство, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Возгорание топлива в цилиндре (6) приводит к перемещению поршня (7), что, в свою очередь, приводит к проворачиванию коленчатого вала.
Циклы расширения и сжатия в цилиндрах приводят в действие кривошипно-шатунный механизм, который, в свою очередь, преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Из чего состоит двигатель и как он работает:
Под широкоупотребимым термином «обороты двигателя» имеется в виду количество оборотов коленчатого вала в единицу времени (в минуту).
И мощность, и крутящий момент — величины не постоянные, они имеют сложную зависимость от оборотов двигателя. Эта зависимость для каждого двигателя выражается графиками, подобными нижеследующему:
Производители двигателей борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке.
Чем выше мощность, тем большую скорость развивает авто
Мощность — это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения.
Мощность двигателя последнее время все чаще указывают в кВт, а ранее традиционно указывали в лошадиных силах.
Как видно на приведенном выше графике, максимальная мощность и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах коленвала. Максимальная мощность у бензиновых двигателей обычно достигается при 5-6 тыс. оборотов в минуту, у дизельных — при 3-4 тыс. оборотов в минуту.
График мощности для дизельного двигателя:
Крутящий момент характеризует способность ускоряться и преодолевать препятствия
Крутящий момент (момент силы) — это произведение силы на плечо рычага. В случае кривошипно-шатунного механизма, данной силой является сила, передаваемая через шатун, а рычагом — кривошип коленчатого вала. Единица измерения — Ньютон-метр.
Иными словами, крутящий момент характеризует силу, с которой будет вращаться коленвал, и насколько успешно он будет преодолевать сопротивление вращению.
На практике высокий крутящий момент двигателя будет особенно заметен при разгонах и при передвижении по бездорожью: на скорости машина легче ускоряется, а вне дорог — двигатель выдерживает нагрузки и не глохнет.
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.
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.
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.
Крутящий момент, что это и зачем он нужен?
Каждый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на определенную максимальную мощность, которую он может выдавать при наборе определенного количества оборотов коленчатого вала. Однако помимо максимальной мощности существует еще и такая величина в характеристике двигателя, как максимальный крутящий момент, достигаемый на оборотах отличных от оборотов максимальной мощности.
Что же означает понятие крутящий момент?
Говоря научным языком, крутящий момент равен произведению силы на плечо ее применения и измеряется в ньютон — метрах. Значит если к гаечному ключу длиной 1 метр (плечо), приложить силу в 1 Ньютон (перпендикулярно на конце ключа), то мы получим крутящий момент равный 1 Нм.
Для наглядности. Если гайка затянута с усилием 3 кгс, то для ее откручивания придется к ключу с длиной плеча в 1 метр приложить усилие 3 кг. Однако, если на ключ длиной 1 метр надеть дополнительно 2-х метровый отрезок трубы, увеличив тем самым рычаг до 3 метров, то тогда для отворачивания этой гайки потребуется лишь усилие в 1 кг. Так поступают многие автолюбители при откручивании колесных болтов: либо добавляют отрезок трубы, а за неимением такового просто надавливают на ключ ногой, увеличив тем самым силу приложения к баллонному ключу.
Результат всегда един — крутящий момент, это произведение силы на длину рычага, стало быть, нужен либо длиннее рычаг, либо большее количество прикладываемой силы.
Все это хорошо, но для чего нужен крутящий момент в автомобиле и как его величина влияет на его поведение на дороге?
Мощность двигателя лишь косвенно отражает тяговые возможности мотора, и ее максимальное значение проявляется, как правило, на максимальных оборотах двигателя. В реальной жизни в таких режимах практически никто не ездит, а вот ускорение двигателю требуется всегда и желательно с момента нажатия на педаль газа. На практике одни автомобили уже с низких оборотов (с низов) ведут себя достаточно резво, другие напротив предпочитают лишь высокие обороты, а на низах показывают вялую динамику.
Так у многих возникает масса вопросов, когда они с авто с бензиновым мотором мощностью 105-120 л.с. пересаживаются на 70-80 – сильный дизель, то последний с легкостью обходит машину с бензиновым мотором. Как такое может быть?
Связано это с величиной тяги на ведущих колесах, которая различна для этих двух автомобилей. Величина тяги напрямую зависит от произведения таких показателей как, величины крутящего момента, передаточного числа трансмиссии, ее КПД и радиуса качения колеса.
Как создается крутящий момент в двигателе
В двигателе нет метровых рычагов и грузов, и их заменяет кривошипно-шатунный механизм с поршнями. Крутящий момент в двигателе образуется за счет сгорания топливо — воздушной смеси, которая расширяясь в объеме с усилием толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун передает давление на шейку коленчатого вала. В характеристике двигателя нет значения плеча, но есть величина хода поршня (двойное значение радиуса кривошипа коленвала).
Для любого мотора крутящий момент рассчитывается следующим образом. Когда поршень с усилием 200 кг двигает шатун на плечо 5 см, появляется крутящий момент 10 кГс или 98,1Нм. В данном случает для увеличения крутящего момента нужно либо увеличить радиус кривошипа, или же увеличить давление расширяющихся газов на поршень.
До определенной величины можно увеличить радиус кривошипа, но будут расти и размеры блока цилиндров как в ширину, так и в высоту и увеличивать радиус до бесконечности невозможно. Да и конструкцию двигателя придется значительно упрочнять, так как будут нарастать силы инерции и другие отрицательные факторы. Следовательно, у разработчиков моторов остался второй вариант – нарастить силу, с которой поршень передает усилие для прокручивания коленвала. Для этих целей в камере сгорания нужно сжечь больше горючей смеси и к тому же более качественно. Для этого меняют величину и конфигурацию камеры сгорания, делают «вытеснители» на головках поршней и повышают степень сжатия.
Однако максимальный крутящий момент доступен не на всех оборотах мотора и у различных двигателей пик момента достигается на различных режимах. Одни моторы выдают его в диапазоне 1800- 3000 об/мин, другие на 3000-4500 об/мин. Это зависит от конструкции впускного коллектора и фаз газораспределения, когда эффективное наполнение цилиндров рабочей смесью происходит при определенных оборотах.
Гулять запрещено: что такое холостые обороты, и от чего они зависят
Если спросить автовладельца, что такое холостые обороты мотора, он наверняка ответит, что это режим, в котором мотор работает без нагрузки, и будет полностью прав. Многие даже смогут точно назвать правильную величину оборотов для их автомобилей. Но почему эти обороты именно такие? Почему не больше, не меньше, почему они изменяются, как и для чего поддерживаются? Сегодня мы попробуем в этом разобраться.
Как всё начиналось
Н а первых моторах не существовало даже самого понятия холостых оборотов. Частота рабочих и холостых оборотов практически совпадала, а рабочий диапазон двигателя был крайне мал (приблизительно всего от 250 до 450 оборотов в минуту). Ну а куда деваться: меньше нельзя, выше не крутится… Фитильные карбюраторы имели весьма небольшой рабочий диапазон и при малом потоке смеси сильно «переливали». Фактически их настраивали только на рабочие обороты.
Ситуация поменялась примерно к 1915 году. Появление на Packard Twin Six настоящего карбюратора с жиклерами и управления опережением зажигания позволило решить две задачи. Во-первых, значительно увеличить мощность, увеличив рабочие обороты до 3000 в минуту, а во-вторых, снизить устойчивые обороты за счет введения специальной системы смесеобразования на малых оборотах. Иными словами, системы холостого хода.
Под капотом Packard Twin Six Town Car ‘1916
Все более поздние конструкции карбюраторов уже предусматривали регулировку и настройку смесеобразования на холостых оборотах, часто используя для этого режима отдельные дозирующие системы. Конечно, экология и даже ресурс для тех конструкций не были определяющими факторами, но моторы просто не могли работать на оборотах ниже тех, на которых мог создавать смесь карбюратор. Но затем система стала значительно сложнее.
Зачем нужны холостые обороты?
Пока мотор заглушен, никакого крутящего момента он, разумеется, не создаёт. Но и при работающем моторе мощность растет исключительно с ростом оборотов, а крутящий момент имеет пик в области средних или высоких оборотов (на наддувных двигателях момент появляется раньше, но тоже далеко не с нуля).
Чтобы нагрузить мотор полезной нагрузкой, нужно, чтобы он уже устойчиво крутился и был готов создавать крутящий момент. Иначе он просто заглохнет. Простите, что так сложно объясняю простую вещь, но это крайне важный для понимания дальнейшего момент.
Нагрузить ДВС можно только если он уже работает на устойчивых и достаточных для восприятия нагрузки оборотах. Никаких способов обойти это ограничение нет. Можно только избежать этой проблемы, используя дополнительный двигатель, который будет работать вместо ДВС до достижения тем рабочих оборотов. Например, такую функцию выполняет электромотор на гибридах или пневматический стартер с избыточной мощностью.
Те обороты, с которых мотор может воспринимать нагрузку, и называются холостыми.
Все обороты выше холостых — рабочие. Ниже начинается зона пусковых оборотов, на которых двигатель не переносит нагрузку по тем или иным причинам. Для большинства моторов легковых автомобилей холостые обороты составляют 500-900 оборотов в минуту, что не так уж мало. В случае использования АКПП можно немного «схитрить» и установить холостые обороты без нагрузки со стороны трансмиссии ниже, повышая их только при включении режима «Drive» в коробке.
Почему холостые обороты не постоянны?
При разных системах питания причины изменения холостых оборотов различны. На ДВС с простыми нерегулируемыми карбюраторами обороты зависят от нагрузки и смесеобразования. Если срабатывают автоматы увеличения оборотов, то с ростом нагрузки обороты будут падать. То же самое произойдёт из-за плохого смесеобразования, но этого стараются избежать, применяя различные системы холодного запуска, которые завышают обороты для обеспечения устойчивой работы двигателя.
Чем совершеннее система питания, тем менее заметны колебания. С простым карбюратором водитель сам регулирует холостые обороты. Его вмешательство требуется, если температура двигателя или нагрузка на него отличаются от выставленных при регулировке холостых оборотов. С электронным карбюратором с автоматом холодного запуска водитель уже ничего не регулирует, но обороты заметно повышаются для обеспечения устойчивой работы до прогрева.
Под капотом ВАЗ-2107 Жигули ‘1997–2006
Системы впрыска разве что позволят немного завысить холостые обороты до прогрева лямбда-сенсоров и удержат их чуть повышенными до нормализации смесеобразования на 100-1000 оборотов в минуту. И ещё они могут немного увеличить обороты при увеличении нагрузки со стороны системы кондиционирования или нагрузки от генератора. Во всех остальных случаях исправная система должна поддерживать обороты практически постоянными, в пределах +/- 30 оборотов в минуту.
К сожалению, все способы регулирования не идеальны. Регуляторы ХХ и дроссельные заслонки с электроприводом со временем загрязняются, не все свечи и форсунки работают идеально, системы EGR пропускают газы, сбоят системы регулирования фаз, а у цилиндров может быть разная компрессия, отчего в реальной жизни на старых машинах обороты все же немного «гуляют»: излишне просаживаются под нагрузкой или наоборот, завышаются.
Почему холостые обороты именно такие?
Выбор холостых оборотов — это всегда компромисс. Увеличивать их – значит увеличивать расход топлива и теплоотдачу двигателя без нагрузки, что, очевидно, является плохой идеей и для гражданской машины не годится. Снижение же приводит сразу к нескольким неприятным последствиям.
Во-первых, нарушается смесеобразование. Процессы в ДВС динамические, и вся его конструкция рассчитана на рабочие обороты. При снижении частоты вращения ухудшается очистка цилиндров от отработанных газов, затрудняется наполнение цилиндров свежей смесью, растут потери на перепуск, а значит, падает и мощность.
Может, такое занижение ХХ сделает мотор хотя бы экологичнее? Тоже нет. Скорее, наоборот. Даже если двигатель сохраняет возможность восприятия нагрузки на оборотах менее холостых, его рабочий процесс будет далек от расчетного. Например, на оборотах менее 400-500 часто даже катколлекторы перестают прогреваться до рабочей температуры, а количество пропусков зажигания растет.
Серьезной проблемой является снижение давления масла и объема его подачи. Тут все просто: меньше обороты — ниже давление. При каком-то минимуме давления подшипники скольжения выходят из режима жидкостного трения, и ресурс мотора стремительно уменьшается. И чем выше нагрузка, тем выше должно быть давление, а значит, и обороты мотора.
Нагрузка на мотор уже на холостых оборотах может быть значительной (особенно с МКПП). Автоматические коробки передач способны предотвратить неприятности, но проблемы полностью не решают, хотя значительно увеличивают ресурс ДВС в целом. В результате давление масла на холостых оборотах должно быть уже достаточным для восприятия полной нагрузки на мотор. К сожалению, чем выше давление и производительность маслонасоса на холостых оборотах, тем больше избыток давления на рабочих. А значит больше расход топлива, меньше ресурс масла. Регулируемый маслонасос позволяет немного улучшить ситуацию, но в основном все же служит для компенсации избыточного снижения давления масла после прогрева двигателя, а не для снижения оборотов холостого хода.
На машинах с автоматической коробкой передач нужно учитывать и ее «пожелания». Ведь маслонасос АКПП приводится от коленчатого вала двигателя, а значит и работа коробки передач зависит от оборотов холостого хода. При слишком малых оборотах давления не хватит на корректную работу механико-гидравлической системы управления. А для систем старт-стоп приходится устанавливать гидроаккумуляторы и дополнительные электронасосы. Это позволяет гидравлике включаться в работу сразу при запуске двигателя, а не спустя пять-десять секунд.
Привод различного навесного оборудования тоже создает сложности. Генератор, насосы ГУРа и кондиционера и помпа системы охлаждения имеют ограниченный рабочий диапазон, поэтому передаточное отношение системы привода дополнительных агрегатов подбирают с учетом максимальных оборотов двигателя. А минимальные обороты любого из устройств и нагрузка на подсистемы машины ограничивают нижнее значение холостых оборотов. Слишком большое снижение оборотов может привести к перегреву многоцилиндровых моторов из-за нарушения циркуляции жидкости, к разряду аккумулятора или неработоспособности системы кондиционирования. Правда, эти проблемы тоже решаемы.
Тут выручают переход на электроприводы усилителя руля, насосов системы охлаждения и кондиционера и установка регулируемого привода помпы. К счастью, генераторы имеют очень большой рабочий диапазон и не теряют КПД при высоких оборотах. Но у этих мер есть и недостатки. Зачастую они влекут за собой лишние затраты, а часто — и снижение КПД систем за счет двойного преобразования энергии.
Вибрация мотора при снижении оборотов в основном связаны с неустойчивостью рабочего процесса, но есть у неё и несколько других причин. Например, система подвески ДВС умеет гасить колебания только в определенном диапазоне частот. И чем ниже обороты, тем сложнее гасить возникающие вибрации. Причём помимо вибраций, передаваемых на кузов и влияющих на комфорт водителя и пассажиров, существует еще такая вещь как крутильные колебания, которые разрушительно действуют на трансмиссию и колеса.
Чем ниже обороты мотора, тем сложнее их гасить. Приходится или использовать не блокируемые гидротрансформаторы или двухмассовые маховики, или сочетание двух технологий одновременно. Повышение оборотов холостого хода позволяет снизить колебания момента при каждом обороте, отодвинуть частоты всех колебаний дальше от резонансных и сделать работу всех систем подавления вибраций эффективнее.
Крутить или не крутить двигатель?
В кругах автолюбителей бытуют абсолютно разные мнения на счет оборотов двигателя.
Одни говорят, что нужно пару раз в неделю прокручивать ДВС до максимально допустимых оборотов, для того что бы в цилиндрах не образовывалась выработка, и при резком поднятии оборотов маслосъемные кольца не ударились о «ступеньку», другие говорят что высокие обороты приводят к перегреву, масляному голоданию, и, как следствие — к быстрому износу и снижению ресурса ДВС.
В данной записи я попробую объяснить все с точки зрения устройства ДВС и разобраться, крутить ли двигатель, или «тошнить» на низких оборотах.
Для начала следует понимать, что нельзя назвать высоким или низким одно и то же число оборотов на разных двигателях, так как характеристики всех ДВС разные, у каждого разная мощность и крутящий момент, и если 7-литровому дизельному внедорожнику достаточно 1500-2000 для комфортной езды, то 1.2-литровая малышка начинает «ехать» с 3000-4000 оборотов.
Если ехать на одной и той же скорости, но с разными оборотами двигателя, то за один оборот двигателя будет совершаться разная работа. Например, скорость 50 км/ч при 3000 оборотов на более низкой передаче, и при 2000 на более высокой. Т.е. то расстояние пройденное автомобилем, на которое тратится один оборот на 2000, будет пройдено за полтора оборота на 3000 — двигателю в полтора раза легче выполнять ту же работу на более высоких оборотах. Меньше нагрузки, меньше сила трения — благоприятнее и долговечнее работа двигателя.
В большинстве своем двигатели, устанавливаемые на машины среднего класса (1-3 литра) оснащены довольно легким коленвалом, распредвалом и маховиком, не имеющим большую силу инерции, по-этому езда «внатяг» приводит к излишнему напряжению, износу двигателя, стуку клапанов, да и не позволяет резко отреагировать на случающиеся иногда дорожные ситуации.
С точки зрения смазки и охлаждения двигателя, на 1200-1500 оборотах среднестатистического ДВС необходимое давление масла уже имеется, двигатель смазывается и охлаждается достаточно, но при таких оборотах обычно страдает механическая коробка переключения передач, смазываемая и охлаждаемая разбрызгиванием масла, следовательно, страдают шестерни и подшипники валов.
Также на невысоких оборотах свойственна недостаточная вентиляция цилиндров и ухудшение самоочистки свечей в следствие невысоких температур.
Из положительных сторон низких оборотов на двигателях, не оснащенных электронным приводом дроссельной заслонки стоит отметить невысокий расход топлива, да и то относительный — при движении в горку или на обгоне приходится сильней утапливать педаль, дополнительно обогащая смесь, что ведет к дополнительному расходу.
Вне зависимости от минусов низких оборотов, постоянная езда на слишком высоких тоже не влечет за собой ничего хорошего.
Из очевидных положительных сторон стоит отметить хороший заряд аккумуляторной батареи, высокое давление масла в следствие высоких оборотов масляного насоса.
Из отрицательных — на очень высоких оборотах недостаточна смазка трущихся частей в виду того, что масло не успевает проникнуть в зазоры между агрегатами, ну и повышенный расход топлива.
Как уже было сказано, высокие обороты двигателя благоприятно влияют на самоочистку от нагара, интенсивность смазки, предотвращают заклинивание агрегатов.
При динамичном движении и интенсивном разгоне двигатель не только можно, но и нужно крутить.
Даже если вам неизвестны характеристики вашего двигателя, вы наверняка замечали момент, когда двигателю легче всего достигать максимальных результатов, например с 3х или 4х тысяч оборотов. Это и есть максимальный крутящий момент, достижение которого благоприятного для переключения на повышенную передачу, не «насилуя» двигатель.
Так же у опытных и неопытных водителей чувствуется разница в переключении передач — опытные водители знают масло масляноемомент крутящего момента, и переключение происходит незаметно, в отличие от рывков и дерганий у неопытных, не привыкших к машине
А вот при равномерном движении по трассе, наоборот, переключаться с низшей на высшую передачу можно раньше, чем при интенсивном разгоне.
Резюмируя все вышесказанное, можно сделать вывод, что высокие (не завышенные!) обороты двигателю полезны, и ни к чему плохому не приведут, но и увлекаться ими при равномерной езде тоже не стоит.
Все зависит от динамики езды и ситуации. Не стоит жарить на высоких оборотах при езде по трассе на пониженной передаче, как и не стоит стучать клапанами при езде в гору на высшей передаче, насилуя движок. Однако, перед началом обгона следует держать обороты близкие к максимальному крутящему моменту, чтобы всегда успеть среагировать и «выстрелить» вперед.
Но опять же при долговременной спокойной езде иногда, хотя бы раз в неделю необходимо дать машине «просраться», крутанув до максимальных оборотов.
Всем ровных дорог и меньше поломок!
P.S. Данная статья не претендует на единственно верное научное исследование, является плодом личного и чужого опыта, наблюдений и изучения материалов, и призвана помочь автолюбителям (особенно, начинающим) продлить срок службы двигателя и получить максимальное удовольствие от езды на своем четырехколесном друге.
Критика и комментарии не только разрешаются, но и приветствуются!