Характеристики двигуна: потужність та його крутний момент

крутний момент двигуна

В мережі інтернет суперечки щодо крутного моменту двигуна та потужності тривають не один рік і виник цей конфлікт ще задовго до виникнення інтернету.

Із моменту винайдення двигуна внутрішнього згорання, люди почали вимірювати його характеристики і пробувати покращити їх. При чому, покращення характеристик двигуна, не завжди відбувалось шляхом модернізації його системи, інколи хитрі маркетологи покращували характеристики шляхом підміни понять, або методу їх вимірювання. Так, наприклад, американські маркетологи підвищили потужність двигуна шляхом зняття цих показників не з маховика (як всі інші учасники ринку), а з двигуна без навісного обладнання, штатних впускних та випускних систем і так далі.

Ці ж самі маркетологи натворили купу міфів, неправдивих чи частково правдивих історій про характеристики двигуна, а зокрема про потужність та крутний момент. Чого варті фрази: “Кінські сили продають автомобіль, а крутний момент його везе”, або останній “виграє в перегонах”, хоча із фізикою та машинобудуванням ці фрази не мають нічого спільного.

Потужність двигуна чи крутний момент?

Щоб дати відповідь на запитання: “Що важливіше потужність чи крутний момент двигуна?” необхідно оперувати правильно цими поняттями.

Крутний момент двигуна (на маховику) – це сила, з якою розкручується маховик, або ж добуток сили що діє на поршень (F) на плече важеля, а саме кривошипно-шатунного механізму (L). Крутний момент двигуна вираховується за формулою Мкм (максимальний крутний момент)=F*L . Вимірюється, за звичай, в Н*м (Ньютон-метр), або ж в кгс·м (кілограм-сила-метр).  Для прикладу, щоб зупинити двигун із максимальним крутним моментом 100Н*м необхідно прикласти силу не більшу за 100Н*м, або ж 10.2 кілограма сили на плече в 1 метр. Варто пам’ятати, що крутний момент змінюється із ростом обертів двигуна у напрямку його збільшення чи зменшення, тому в характеристиках двигуна, зазвичай, вказують максимальний крутний момент, що досягається при певних обертах двигуна. Залежність крутного моменту від обертів можна спостерігати на кривій крутного моменту.

Потужність двигуна – це кількість виконаної роботи, котру зможе виконати двигун за певний час. 1 к.с. (кінська сила) рівнозначна затраченій потужності на рівномірний підйом 75 кг зі швидкістю 1м/с. Якщо рівномірно піднімати 75 кг зі швидкістю 2м/с, або ж 150 кг зі швидкістю 1м/с то на виході ми отримаємо затрачену потужність у вигляді 2 кінських сил. Розрахунок потужності двигуна ведеться за формулою: ((Оберти двигуна за хвилину * (крутний момент / 9.8))/1000) * 1,36

Якщо ваш двигун при обертах 5500 об./хв. розвиває крутний момент 90 Н*м, то на цих обертах ви отримаєте потужність 5500*(90/9.8)/1000*1.36=68 кінських сил.

Виходячи із того, що крутний момент змінюється із зміною обертів, випливає ситуація, що потужність двигуна також залежить від обертів. В характеристиках двигуна, вказується максимальна потужність при певній кількості обертів, при чому ці оберти розраховуються із зміни кривої крутного моменту.

Отже, потужність – це робота, виконання якої можна збільшити шляхом прикладання більшої сили (крутного моменту), або збільшенням частоти виконання (збільшення обертів двигуна). Із збільшенням частоти обертання двигуна ми збільшуємо швидкість руху, а із збільшенням крутного моменту на всьому діапазоні обертів ми збільшує можливість двигуна пересувати більшу масу за той самий час.

 

Ще є бажаючі подискутувати про те, що важливіше крутний момент чи потужність двигуна? Із ростом обертів характеристика двигуна змінюється, а тому максимальний крутний момент та максимальна потужність лише частково розповідають про поведінку двигуна в різних режимах роботи.

Для того, щоб швидко вийти на максимальну потужність та максимальні оберти необхідно розкручувати маховик із максимальною силою, тобто чим вищий та розтягнутий крутний момент тим швидше ваш двигун видасть максимальну потужність, тобто маса вашого автомобіля буде максимально швидко переміщуватись.

Із цього твердження, можна зробити хибний висновок, що для прискорення важливий крутний момент двигуна, а потужність не важлива.

Крутний момент – це основна сила, котра забезпечує можливість автомобіля рушити з місця та почати виконувати роботу, оберти двигуна – це частота з якою ми виконуємо роботу, а потужність – це і є наша робота, котру ми виконуємо, або можемо виконати при необхідності.

Що впливає на динаміку прискорення автомобіля крутний момент чи потужність?

На динаміку прискорення впливає дуже багато факторів: вага автомобіля, КПП, головна пара, крива крутного моменту, потужність двигуна, опір котінню і т. д.

Крутний момент забезпечує розкручування двигуна до максимальних обертів, при чому чим вищий крутний момент із низів до самого верху тим швидше буде набирати оберти двигун. Так звана, лавка крутного моменту дуже сильно впливає на димаН*міку автомобіля.

Лавка крутного моменту – це розтягнутість максимального крутного моменту на діапазон обертів. Початкова точка лавки крутного моменту розпочинається у максимальній піковій зоні, або близькій до максимальної, і триває до того місця, поки крутний момент не почне йти на спад. Чим довша лавка крутного моменту, тим динамічнішим та еластичнішим буде автомобіль.

Однак не варто списувати із рахунків потужність, котра забезпечує максимальну швидкість на кожній передачі (якщо бути точним то максимальну швидкість забезпечують оберти двигуна та можливість крутного моменту розкрутити його до цих обертів, однак із цих 2 характеристик і отримується потужність). Якщо взяти двигун, наприклад дизельний, із шквалом крутного моменту на низах 700 Н*м і максимальною потужністю 40 к.с., то такий двигун може взагалі не розігнати автомобіль масою в 2000 кг до швидкості 100км/год, так як на 1 кг ваги буде припадати лише 0,02 к.с. , однак таким двигуном можна буде чудово орати землю, тягати бетонні блоки по асфальту 🙂

На сьогоднішній день існує міф про те, що двигуни із максимальним крутним моментом, зміщеним до 1500-2500 об./хв. мають кращу динаміку, еластичність та інші характеристики, однак це не так. Якщо, ваш двигун видає максимальний крутний момент на 2500 і здувається до 4000-4500 об./хв., як у дизеля без надува, то швидко розігнатись виїхати на крутий підйом ви не зможете. Чому?, – а тому що через спад крутного моменту до зони максимальної потужності, остання буде доволі низька і ви банально не зможете перемістити сталу масу авто із потрібною вам швидкістю.

Якщо ви вирішили тюнінгувати ваш автомобіль, то найбільшу увагу варто приділити створенню лавки крутного моменту, тобто вирівнювання кривої крутної моменту таким чином, щоб максимальний момент розпочинався на 1700-2000 об./хв. і тривав що найменше до 3500-4000 об./хв., однак це не означає, що це єдиний чинник, котрим можна збільшити динаміку авто.

Дизельний двигун чи бензиновий. Крутний момент проти потужності

 Одвічна суперечка, який двигун ліпший бензиновий чи дизельний. Із аргументів бензоводів: “постав дизель рівноцінного об’єму на бензиновий  авто і він не виїде на гору”, “на дизелі гірша динаміка”, “дизельні кінські сили слабші за бензинові :-)” … У дизелів свої версії, типу: “дизелі економічні, тяговиті”, “на дизелі гарно їхати по місту” …

Якщо поглянути на криву потужності та криву крутного моменту, то можна зрозуміти звідки ростуть ноги. Більшість дизелів, особливо без надуву, мають піковий крутний момент на низах, яких сильно зменшується до зони максимальної потужності, тому у місці де ми отримуємо максимум потужності, дизель практично не прискорюється. Особливо радикально це проявляється на крутих підйомах коли бензинове і дизельне авто із однією масою по різному їдуть на прямій передачі. Кожний із цих двигунів під навантаженням їде на максимальному крутному моментові, однак у хорошого бензинового двигуна він близько 3500 об./хв. , а в дизеля без надуву близько 2000 об./хв.. Як відомо із формули крутного моменту на кількість кінських сил найбільше впливають оберти, особливо коли крутний момент схожий, а тому бензиновий двигун на максимальному крутному моментові буде мати набагато більшу потужність, що дозволить перемістити сталу масу на гору швидше, так як швидкість напряму залежить від обертів двинуна, та можливості ці оберти розвинути. Однак, якщо завантажити ці автомобілі і заставити рушити ці автомобілі посередині гори, то дизельний двигун зробить це набагато легше, так як шквал крутного моменту в нього починається з низів. Також. не варто списувати із рахунків КПП та головну пару, котрі збільшують крутний момент в декілька разів, шляхом зменшення обертів на виході, потужність при цьому залишається практично без змін (варто відкинути втрати 7-10% на тертя в механізмах КПП та інших деталях), так як зменшення обертів компенсується збільшенням крутного моменту на колесах.

Із всього вище сказаного, варто розуміти, що не важливо на якому паливі працює двигун, важливо щоб крутний момент починався на низах і був розтягнутий максимально близько до максимальної потужності, а КПП та головна пара була розраховані під цей двигун, під масу автомобіля та його призначення.

Крутний момент на маховику та на ведучих колесах

Ви не раз чули, як в характеристиках двигуна вказують максимальний крутний момент, однак цей момент сили проходить через головну пару та КПП, які підвищують його за рахунок зменшення обертів. Адже якби ми мали такий малий крутний момент, то банально не змогли б зрушити із місця та розвинути максимальні оберти та максимальну потужність. Якщо взяти автомобіль ВАЗ 2108 1.3л (64к.с. при 5550 об./хв. , 98Н*м при 3400 об./хв.) передаточне число головної пари у автомобіля рівне 3.9, а першої передачі 3,636, тобто коефіцієнт підсилення 3.9*3,636=14,1804 , то на першій передачі при обертах двигуна 3400 ми будемо мати на виході із КПП крутний момент близький до 1389 Н*м, якщо знехтувати тертям у КПП, при цьому, на виході із КПП, ми отримаємо 239 об./хв., потужність двигуна на цих обертах буде становити приблизно 46 к.с.

Під час перетворення обертів у крутний момент, ми не втрачаємо потужність, однак ми втрачаємо у швидкості, так як швидкість автомобіля напряму залежить від обертів.

Потужність в 46 к.с. (якщо знехтувати тертям)

Потужність Вага Висота підйому ваги за 1 сек.
46 к.с. 3450кг 1м за 1 сек
46 к.с. 1725кг 2м за 1 сек
46 к.с. 862.5кг 4м за 1 сек
46 к.с. 431,25кг 8м за 1 сек
46 к.с. 215,625кг 16м за 1 сек
46 к.с. 107,8125 32м за 1 сек

Важливо, що вага, котру ми піднімаємо на висоту не повинна перевищувати крутний момент, тобто для ВАЗ 2108 на першій передачі при обертах 3400 можна навантажити не більше 1389/9.8=141.7 кг

крутний момент та потужність

Ключовий момент представленого фото: без відповідного крутного моменту реалізація максимальної потужності не можлива, тобто якщо крутний момент не дозволяє долати силу протидії руху, то рух на відповідній потужності не можливий.

Збільшувати крутний момент постійно не можна, так як варто враховувати навантаженість ведучих коліс та коефіцієнт зчеплення. При перевищенні крутного моменту на колесах (врахуйте той факт, що колесо має свій радіус, тобто плече, котре частково зменшує крутний момент між шиною та поверхнею дороги) завантаженості ведучої осі автомобіль почне буксувати, а потужність буде перетворюватись у теплову енергію, що виникне від тертя шини об асфальт і автомобіль втратить прискорення.

Для прикладу, якщо водій масою 80кг закручує колесо ключем довжиною в 1 метр так, щоб вся маса водія знаходилась в повітрі, тобто тисне всією масою, то ми отримаємо крутний момент 784 Н*м, а якщо взяти ключ довжиною 2 метри то 1568 Н*м.

Максимальна швидкість. Що впливає на швидкість? – потужність чи крутний момент двигуна

Не потрібно бути великим знавцем фізики, щоб зрозуміти, що швидкість авто на кожній передачі залежить від обертів двигуна. Із збільшенням обертів, збільшується швидкість, однак для того щоб розвинути оберти потрібний крутний момент і якщо момент сил на ведучих колесах менший за сили опору, то автомобіль буде втрачати оберти, а разом із ними швидкість, якщо крутний момент на колесах дорівнює всім силам опору, автомобіль буде рухатись рівномірно без прискорення до того моменту, поки цей баланс не порушиться, а якщо крутний момент на колесах буде перевищувати всі сили опору, то автомобіль буде збільшувати оберти до того моменту поки крутний момент на колесах та опір не зрівняються.

Хм.. а де ж потужність і що залежить від неї, потужність це робота, котру виконує наш двигун в кожну секунду часу. Тобто, для виконання роботи нам потрібно прикласти силу, чим частіше прикладати силу (збільшуємо оберти) тим швидше ми виконаємо роботу. Із ростом обертів, ми збільшуємо швидкість, одночасно збільшуючи потужність тобто виконуємо переміщення тіла швидше, при цьому не змінюючи масу тіла.

 

Використання крутного моменту та потужності в різних дорожніх ситуаціях

 В залежності від ситуаціїї, водій вимагає від автомобіля віддачу максимального крутного моменту на різних обертах, тобто інколи ми потребуємо шквал крутного моменту із мінімальними обертами, а в іншій ситуації нам необхідний шквал крутного моменту із максимальною частотою. Це при тому, що крутний момент в 200Н*м при 1500 об./хв. видають таку саму потужність, як крутний момент 66.6Н*м при 4500 об./хв. , що дорівнює 41.6 к.с. Що це означає для водія? – для того, щоб їхати із однаковою швидкістю необхідно першому двигунові збільшити передаточні числа у 3 рази так щоб оберти виросли, а для того щоб отримати однакову тягу необхідно другому двигунові зменшити передаточні числа у 3 рази, так щоб оберти зменшились.

Якщо рушати із місця під навантаженням (в піску, снігові, старт під гору, перевантажений авто) на автомобілі, в якого встановлений двигун із високим крутним моментом на верхах, наприклад від 3000 до 4000 об./хв., то водієві доведеться на зчепленні крутити двигун до цих обертів, а потім плавно його пускати, щоб потужність перетворювалась в теплову енергію на зчепленні, чи шинах. В аналогічній ситуації двигун із крутним моментом на низах 1500 – 2500 об./хв. рушить без пробуксовування зчеплення та коліс, так як потужність буде менша. Також, допомогти першому автомобілеві рушити без пробуксовування може понижена КПП чи головна пара, котра збільшить крутний момент і зменшить оберти, при цьому водій зможе зменшити використання потужності, так як крутний момент буде в надлишку.

 

Який же висновок із всього цього можна зробити?

  1. Потужність – це робота, яка виникає під час прикладення сили із певною частотою.
  2. Крутний момент – змінюється із частотою обертання колінчатого вала двигуна, а тому для водія важливий не максимальний крутний момент, а крива крутного моменту в залежності від обертів.
  3. Щоб швидко розвинути максимальну потужність, необхідно мати високий крутний момент на всьому діапазоні обертів.
  4. Будь-який крутний момент двигуна можна збільшити, або зменшити за рахунок КПП та головної пари.
  5. Потужність не є самодостатньою величиною, а тому її не можна розглядати окремо від крутного моменту та частоти обертання колінчатого валу.
  6. Коротко часовий крутний момент двигуна без обертання можливий, однак в такому разі двигун заглохне. Через це його потрібно розглядати в парі із обертами, що в свою чергу дозволить виконувати роботу, що автоматично призводить до нерозривності понять крутного моменту, частоти обертання колінчатого валу та потужності.
  7. Для того щоб двигун був еластичним необхідно надати йому довгу лавку крутного моменту.
  8. Обираючи автомобіль, необхідно звертати увагу на криву крутного моменту, його лавку, крутний момент на максимальній потужності та саму максимальну потужність.

 

Міфи про крутний момент та потужність

“Дизельні кінські сили слабші за бензинові” 🙂

Кінські сили стала величина і вона не залежить від типу двигуна та палива на якому він працює.

 

 

“Трактор може тягнути плуг тому, що в нього крутний момент починається з низу, а якщо спробувати тягнути плуг болідом формули 1 то ми спалимо зчеплення, тому що там крутний момент дуже на високих обертах”

Якраз на формулі 1 двигуни розроблені таким чином, щоб крутний момент був максимальним на всьому діапазоні обертів, а тягнути плуг він не зможе тому, що зчеплення коліс не достатньо, а також крутний момент значно менший на колесах. Якщо взяти і створити КПП, яка підсилить крутний момент до моменту трактора і одягнути колеса із необхідною силою зчеплення (та відповідно завантажити їх), то таким ТЗ можна буде працювати практично так само як і трактором.

 

Читайте також про вживані автомобілі!

 

Наразі все, в інтернеті нас шукають за запитами:

  • крутний момент двигуна
  • крутний момент
  • крутний момент чи потужність (кінські сили)
  • лавка крутного моменту
  • потужність це.

Коментарі
  • Антон 08.06.2015 6:20

    Потужність і тільки потужність заставляє ваш автомобіль летіти вперед. Відповідно чим більше потужності, тим більші витрати бензину

    Відповіcти      Показати відповіді (0)
  • Олег Миколайович 20.04.2015 8:20

    Можна було набагато простіше викласти цей зарозумілий матеріал. Наприклад ось так:
    Потужність вона ж мощность двигуна – це сила яка дозволяє переміщувати автомобіль масою А із швидкістю Б. Звідси все стає зрозуміло, чим менша вага та чим більша потужність тим більша максимальна швидкість при сталій / незмінній КПП та незмінному аеродинамічному опору.

    Крутний момент – сила що рухає автомобіль в заданому напрямку, її повинно вистачати для того щоб перебороти всі сили опору.

    Відповіcти      Показати відповіді (0)
    • Сергій 25.09.2017 7:21

      Олег Миколайович загорівся збудувати мінітрактор на гідроприводі,яку доцільніше використовувати с-му ГСТ 33,52,90(як розрахувати круктний момент щоб вистачло для оранки)

      Відповіcти      Показати відповіді (0)
  • Orest 17.12.2014 16:50

    Прочитав весь пост до кінця і все рівно не зрозумів що впливає на розгін автомобіля більше: крутний момент чи потужність ?

    Без хорошого крутного не можливо розвинути максимальні кінські сили, так!!
    Розгін автомобіля без збільшення потужності не можливий правильно??, тобто немає крутного – немає прискорення!
    Чи я помиляюсь?

    Відповіcти      Показати відповіді (0)
  • ФізМат 10.11.2014 9:05

    Автор, навіщо все ускладнювати? Адже ((Оберти двигуна за хвилину * (крутний момент / 9.8)) це також потужність !! тільки у Ватах, якщо поділити на 1000 то отримаємо кВт і це більш досконала одиниця вимірювання потужності двигуна.

    Також крутний момент варто ділити на 9.8 тільки тоді коли, крутний момент указаний у Ньютонах, якщо в кілограмах то на 9.8 ділити не потрібно.

    Із цього виходить, що Потужність (у ватах) = Оберти двигуна за хвилину * (крутний момент Н*м / 9.8)
    Потужність (у ватах)/1000 = Потужність у кВт
    Потужність у кВт * 1.36 = Потужність у кінських силах

    Відповіcти      Показати відповіді (0)
    • admin1 13.01.2015 10:30

      Цілком згідний з вами у тому, що потужність ліпше вимірювати у кіловатах, однак у нашій країні зазвичай вказуються кінські сили.
      Щодо формули, так дійсно, можна провести спрощення деяких величин, можна скоротити, однак тоді буде не зрозуміло, що і куди ми підставляємо.
      Так будь-яка людина розуміє звідки і куди ми підставляємо дані.

      Відповіcти      Показати відповіді (0)