В материалах об автомобилях часто употребляются выражения «высокие обороты», «большой крутящий момент». Как оказалось, эти выражения (а также связь между этими параметрами) понятны не всем. Поэтому расскажем о них подробнее.

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания это устройство, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Схематически это выглядит так:

Возгорание топлива в цилиндре (6) приводит к перемещению поршня (7), что, в свою очередь, приводит к проворачиванию коленчатого вала.

То есть, 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 смотрим здесь:

Итак, важнейшими характеристиками двигателя являются его мощность, крутящий момент и обороты, при которых эта мощность и крутящий момент достигаются.

Обороты двигателя

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.

Мощность двигателя

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:

В практической плоскости - мощность влияет на скоростные характеристики авто: чем выше мощность, тем большую скорость может развивать автомобиль.

Крутящий момент

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.

Еще примеры

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.

К примеру 4,7-литровый бензиновый двигатель развивает максимальную мощность 288 л.с. при 5400 об/мин, а максимальный крутящий момент в 445 Нм при 3400 об/мин. А дизельный 4,5-литровый двигатель, устанавливаемый на это же авто развивает максимальную мощность 286 л.с. при 3600 об/мин, а максимальный крутящий момент - 650 Нм при "полке" в 1600-2800 об/мин.

1,6-литровый двигатель X развивает максимальную мощность 117 л.с. при 6100 об/мин, а максимальный крутящий момент в 154 Нм достигается при 4000 об/мин.

2,0-литровый двигатель обеспечивает максимальную мощность в 240 л.с. при 8300 об/мин, а максимальный крутящий момент в 208 Нм при 7500 об/мин, являясь примером "спортивности".

Итог

Итак, как мы уже видели, связь между мощностью, крутящим моментом и оборотами двигателя - довольно сложная. Суммируя, можно сказать следующее:

• 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.

Характеристика ТРД по числу оборотов представляет собой кривые, которые показывают изменение тяги и удель­ного расхода топлива при изменении числа оборотов (при постоянной скорости и высоте полета).

Характеристика по числу оборотов показана на рис. 41.

При изменении тяги по оборотам отмечаются следующие основные режимы работы двигателя:

1. Малый газ или число оборотов холостого хода. Это наименьшее число оборотов, при котором двигатель рабо­тает устойчиво и надежно. При этом в камерах сгорания происходит устойчивое сгорание, а мощность турбины вполне достаточна для вращения компрессора и агрегатов.

Для ТРД с центробежным компрессором число оборотов холостого хода равно 2400-2600 в минуту. Тяга двигателя на холостом ходу не превышает 75-100 кг.

Начислах оборотов холостого хода удельный расход то­плива не является характерной величиной; здесь обычно приводится часовой расход топлива.

При числах оборотов холостого хода турбина работает в тяжелых температурных условиях, кроме того, подача масла в подшипники очень мала. Поэтому время непрерыв­ной работы на малом газе ограничивается 10 минутами.

2. Крейсерский режим - двигатель работает на числах оборотов, при которых тяга составляет примерно 0,8 Р МАКС.

Рис. 41. Характеристики ТРД по числу оборотов.

При этих числах оборотов гарантируется непрерывная и надежная работа двигателя в течение установленного срока службы (ресурса двигателя).

Конструктор так подбирает параметры двигателя (ε, Т, КПД), чтобы на крейсерском режиме получить наименьший удельный расход топлива.

Крейсерский режим работы двигателя используется при полетах на продолжительность и дальность.

3. Номинальный режим - двигатель работает на числах оборотов, при которых тяга составляет примерно 0,9 Р МАКС.

Непрерывная работа на этом режиме разрешается не более 1 часа.

На номинальном режиме производятся набор высоты и полеты на повышенных скоростях.

По номинальному режиму производятся тепловой расчет двигателя и расчет деталей на прочность.

4. Максимальный (взлетный) режим - двигатель развивает максимальное число оборотов, при котором получается максимальная тяга Р МАКС - на этом режиме допускается непре­рывная работа не свыше 6-10 минут.

Максимальный режим используется для взлета, набора высоты и кратковременного полета на максимальной скоро­сти (когда необходимо догнать противника и атаковать его).

Характеристика по числу оборотов строится при стан­дартных атмосферных условиях: давлении воздуха Р О = 760 мм рт. ст. и температуре Т 0 = 15 0 С.

Рис. 42. Изменение удельного расхода топлива по числу оборотов.

С увеличением числа оборотов двигателя (при постоян­ных высоте и скорости полета) увеличивается секундный расход воздуха через двигатель G СЕК и степень сжатия ком­прессора ε КОМП. В результате резко растет тяга двигателя и уменьшается удельный расход топлива, ТРД более эконо­мичен на больших числах оборотов. Если удельный расход топлива на максимальных оборотах принять за 100%, то удельный расход топлива на оборотах холостого хода будет 600-700% (рис. 42). Поэтому надо всемерно сокращать работу ТРД на оборотах холостого хода.

5. Форсаж. Для двигателей, имеющих форсажную ка­меру, в характеристике указывается также тяга, удельный расход топлива и продолжительность работы двигателя при включении форсажа - форсажной камеры.

При запуске ТРД первоначальная раскрутка вала до чисел оборотов холостого хода производится вспомогатель­ном пусковым двигателем.

В качестве пускового двигателя используются: электри­ческие стартеры, стартер-генераторы, турбореактивные стартеры.

Электрический стартер представляет собой электродвигатель постоянного тока, питающийся током от самолетных или аэродромных аккумуляторов во время запуска. Мощность его порядка 15-20 л. с.

На некоторых ТРД устанавливается стартер-генератор, который при запуске работает как электродвигатель, а во время работы двигателя работает как генератор - питает током самолетную сеть.

Электрический стартер, или стартер-генератор, вклю­чается в автоматическую систему запуска, и его работа со­гласована с работой пусковой топливной системы и системы зажигания.

Турбореактивный стартер представляет вспомогательный турбореактивный двигатель, устанавливаемый на мощных ТРД.

Небольшой электродвигатель запускает турбореактивный стартер, который раскручивает до оборотов холостого хода основной двигатель и автоматически выключается.

13 сентября 2017

Режим эксплуатации двигателя – один из главных факторов, влияющих на скорость износа его деталей. Хорошо, когда автомобиль оборудован автоматической коробкой либо вариатором, самостоятельно выбирающим момент перехода на высшую или низшую передачу. На машинах с «механикой» переключением занимается водитель, который «раскручивает» мотор по своему разумению и не всегда правильно. Поэтому автолюбителям без опыта стоит изучить, на каких оборотах лучше ездить, чтобы максимально продлить ресурс силового агрегата.

Движение на малых оборотах с ранним переключением

Зачастую инструктора автошкол и старые водители рекомендуют новичкам ездить «в натяг» – переходить на высшую передачу при достижении 1500–2000 об/мин коленчатого вала. Первые дают советы из соображений безопасности, вторые – по привычке, ведь раньше на машинах стояли низкооборотные моторы. Сейчас подобный режим годится разве что для дизеля, чей максимальный крутящий момент находится в более широком диапазоне оборотов, чем у бензинового двигателя.

Не все автомобили оборудованы тахометрами, поэтому малоопытным водителям при данном стиле езды стоит ориентироваться по скорости движения. Режим с ранним переключением выглядит так: 1-я передача – движение с места, переход на II – 10 км/ч, на III – 30 км/ч, IV – 40 км/ч, V – 50 км/ч.

Подобный алгоритм переключения – признак очень спокойного стиля вождения, дающий несомненное преимущество в безопасности. Минус – в повышении скорости износа деталей силового агрегата и вот почему:

1. Масляный насос достигает номинальной производительности начиная с 2500 об/мин. Нагрузка при 1500–1800 оборотах вызывает масляное голодание, особенно страдают шатунные подшипники скольжения (вкладыши) и компрессионные поршневые кольца.
2. Условия сжигания топливовоздушной смеси далеки от благоприятных. В камерах, на тарелках клапанов и днищах поршней усиленно откладывается нагар. В процессе работы эта сажа раскаляется и воспламеняет топливо без искры на свече зажигания (эффект детонации).
3. Если нужно резко увеличить обороты двигателя при ездес самых «низов», вы нажимаете на акселератор, но разгон остается вялым, пока мотор не достигнет своего крутящего момента. Но как только это происходит, вы включаете высшую передачу и частота вращения коленвала снова падает. Нагрузка большая, смазки недостаточно, помпа слабо перекачивает антифриз, отсюда возникает перегрев.
4. Вопреки распространенному мнению, экономия бензина в данном режиме отсутствует. При нажатии на педаль газа топливная смесь обогащается, но сгорает не полностью, значит, расходуется впустую.

Владельцам авто, оснащенных бортовым компьютером, легко убедиться в неэкономичности движения «в натяг». Достаточно включить на дисплее показ мгновенного расхода горючего.

Подобная манера езды усиленно изнашивает силовой агрегат, когда автомобиль эксплуатируется в тяжелых условиях – по грунтовым и проселочным дорогам, с полной загрузкой либо прицепом. Не стоит расслабляться и владельцам авто с мощными моторами объемом 3 л и более, способными резко ускоряться с «низов». Ведь для интенсивного смазывания трущихся деталей двигателя нужно держать минимум 2000 об/мин коленчатого вала.

Чем вредна высокая частота вращения коленвала?

Манера езды «тапку в пол» подразумевает постоянное раскручивание коленчатого вала до 5–8 тыс. оборотов за минуту и позднее переключение скоростей, когда от шума двигателя буквально звенит в ушах. Чем чреват данный стиль вождения, кроме создания аварийных ситуаций на дороге:

• все узлы и агрегаты автомобиля, а не только мотор, испытывают максимальные нагрузки в течение срока эксплуатации, что снижает общий ресурс на 15–20%;
• из-за интенсивного нагрева двигателя малейший сбой охлаждающей системы ведет к капитальному ремонту вследствие перегрева;
• трубы выхлопного тракта прогорают значительно быстрее, а вместе с ними – дорогостоящий катализатор;
• ускоренно изнашиваются элементы трансмиссии;
• поскольку частота вращения коленвала превышает нормальные оборотычуть ли не вдвое, расход горючего тоже увеличивается в 2 раза.

Эксплуатация автомобиля «на разрыв» имеет дополнительный негативный эффект, связанный с качеством дорожного покрытия. Движение на большой скорости по неровным дорогам буквально убивает элементы подвески, причем в кратчайшие сроки. Достаточно влететь колесом в глубокую выбоину – и передняя стойка согнется либо треснет.

Как правильно ездить?

Если вы не автогонщик и не приверженец езды «внатяжку», которому трудно переучиться и поменять стиль вождения, то для сбережения силового агрегата и автомобиля в целом старайтесь удерживать рабочие обороты двигателя в диапазоне 2000–4500 об/мин. Какие бонусы вы получите:

1. Пробег до капитального ремонта мотора увеличится (полный ресурс зависит от марки авто и мощности мотора).
2. Благодаря сгоранию топливовоздушной смеси в оптимальном режиме вы сможете экономить горючее.
3. Быстрый разгон доступен в любой момент, стоит лишь нажать на педаль акселератора. Если оборотов недостаточно, с ходу переключайтесь на низшую передачу. Те же действия повторяйте при движении в гору.
4. Система охлаждения будет функционировать в рабочем режиме и убережет силовой агрегат от перегрева.
5. Соответственно, дольше прослужат элементы подвески и трансмиссии.

Рекомендация. На большинстве современных автомобилей, оснащенных высокооборотными бензиновыми моторами, лучше переключать передачи при достижении порога 3000 ± 200 об/мин. Это касается и перехода с высшей на низшую скорость.

Как говорилось выше, приборные панели авто не всегда имеют тахометры. Для водителей с малым стажем вождения это является проблемой, поскольку частота вращения коленвала неизвестна, а ориентироваться по звуку новичок не умеет. Есть 2 вариант решения вопроса: купить и установить на торпедо электронный тахометр либо пользоваться таблицей, где указаны оптимальные обороты двигателя по отношению к скорости движения на разных передачах.

Позиция 5-ступенчатой коробки передач	1	2	3	4	5
Оптимальная частота вращения коленвала, об/мин	3200–4000	3500–4000	не менее 3000	> 2700	> 2500
Приблизительная скорость автомобиля, км/ч	0–20	20–40	40–70	70–90	более 90

Примечание. Учитывая, что у различных марок и модификаций машин разное соответствие скорости движения и числа оборотов, в таблице приведены усредненные показатели.

Несколько слов о езде накатом с горы либо после разгона. В любой системе топливоподачи предусмотрен режим принудительного холостого хода, активирующийся в определенных условиях: автомобиль движется накатом, включена одна из передач, а обороты коленвала не опускаются ниже 1700 об/мин. Когда режим активирован, подача бензина в цилиндры блокируется. Так что вы спокойно можете тормозить двигателем на высшей скорости, не боясь напрасно израсходовать горючее.