Как изменение крутящего момента влияет на динамику машины
Чтобы обеспечить как можно более высокие динамические характеристики машины, автопроизводителями разрабатываются такие силовые агрегаты, которые обладают максимальным крутящим моментом в более широком диапазоне оборотов мотора. Высокий крутящий момент характерен для дизелей, а также для моторов многоцилиндровых и турбированных.
Чтобы реально оценить роль мощности и крутящего момента при формировании динамических характеристик машины, требуется учесть следующее:
- автомобиль с двигателем более мощным, но не обладающим достаточным крутящим моментом, будет уступать в разгонной динамике машине с меньшей мощностью, но более высоким крутящим моментом;
- высокий крутящий момент, который двигатель способен «подхватить» уже на низких оборотах, позволит автомобилю ускоряться намного эффективнее;
- наибольшая скорость, которую может развить автомобиль, напрямую зависит от мощности его двигателя, а крутящий момент, в отличие от динамики разгона, не влияет на этот показатель. Максимальная скорость автомобиля, который обладает огромным крутящим моментом, может быть и невелика. Например, мощные внедорожники имеют внушительный крутящий момент и невысокую максимальную скорость, а гоночные машины могут иметь небольшой крутящий момент на карданном валу, но высокую скорость.
Таким образом, вне зависимости от мощности двигателя, разгонная динамика машины, его способность без проблем преодолевать подъёмы всецело зависят от того, каков максимальный крутящий момент. Чем больший крутящий момент передастся на ведущие колёса, и чем шире диапазон оборотов мотора, в котором он будет достигнут, тем увереннее автомобиль будет ускоряться и преодолевать непростые участки дорог.
Необходимо заметить, что прямое сравнение характеристик конструкционно идентичных, но имеющих различные крутящие моменты двигателей, будет иметь смысл только при одинаковых параметрах и трансмиссии тоже – когда коробки переключения передач будут обладать схожими передаточными отношениями. Если же эти параметры будут разными, то и сравнивать крутящие моменты и возможности двигателей нет практического смысла.
КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.
Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.
Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.
Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).
Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.
Рис. 1.3. Поршень с шатуном.
На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).
Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.
Примечание.
Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.
Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).
При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.
Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.
Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.
По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.
Расход масла
Для исправного автомобиля расход масла не должен превышать 1л/1000 км.
Выбирая моторное масло, нужно правильно расшифровывать его обозначения. В общих случаях, вид масла обозначается так – xxWxx. Первое число обозначает степень густоты масла, второе – его вязкость. Например, к синтетическим маслам можно отнести 0W40, 5W40, к полусинтетическим – 10W40, к минеральным – 15W40, 20W40. Чем больше густота и вязкость масла, тем выше прочность и надежность мотора.
Будьте внимательны, ибо можно с легкостью испортить двигатель, ведь масла 70W90 и 95W100 предназначены только для трансмиссионной системы.
Дизельная система впрыска (ДВС)
Устройство бензиновой системы впрыска гораздо легче для восприятия, чем дизельная. ДВС используется в комбинации двух устройств, обеспечивающих стабильность и надежность работы мотора.
Система ТНВД – это самая распространенная дизельная система, ставшая основой для остальных усовершенствованных систем.. Она используется только в вместе с системой насос-форсунок, за счет которых топливо подается в камеру сгорания. При использовании системы насос-форсунок без ТНВД затрудняется работа силового агрегата, что объясняет необходимость совмещения двух устройств.
Комбинация ТНВД и насос-форсунок распространена не только в России, но и в других странах мира. Дизельное топливо под давлением ТНВД подается в рампу, сжимается и впрыскивается в камеру сгорания. Система не только оптимизирует работу мотора автомобиля, но и значительно повышает его мощность, а также благополучно воздействует на количество потребляемого топлива.
Устройство ДВС
Среди главных элементов ДВС стоит различать главный корпус, два основных механизма (газораспределительный и кривошатунный), а также ряд смежных систем в роде топливной, впускной, зажигания, охлаждения, управления, смазки, выпускной.
Корпус объединен с блоком цилиндров и головкой блока. Кривошатунный механизм позволяет преобразовать возвратно-поступательные движения поршня, во вращательные движения коленчатого вала. ГРМ обеспечивает своевременное снабжение воздухом или топливом в систему, а также выброс отработанных газов.
Впускная система отвечает за питание мотора воздухом, а топливная за топливо. Совместная работа этих систем или комплексов, обеспечивает формирование, так называемой топливно-воздушной массы. Главное место в топливной системе отведено системе впрыска.
Зажигание осуществляет принудительное воспламенение указанной выше смеси в бензиновых моторах. В дизельных процесс немного проще, так как смесь самовоспламеняющаяся.
Смазка позволяет снимать напряжение с деталей, между которыми происходит трение. За то, чтобы вовремя охлаждать механизмы и детали ДВС отвечает охлаждающая система. Одни из важных функций выполняет выпускная система, которая позволяет удалять отработанные газы, а также снижает их шум и токсичность.
СУД, то есть система управления двигателем обеспечивает электронный контроль и управление, всех систем мотора и смежных комплексов.
Основные показатели двигателя
Сгорание топлива происходит внутри ДВС, в специальной камере цилиндра. Это приводит в движение поршень, который, совершая циклические возвратно-поступательные движения, проворачивает коленчатый вал. Таков упрощенный принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Основные характеристики ДВС можно оценить тремя основными показателями:
- мощность двигателя;
- крутящий момент;
- расход топлива.
Основные показатели ДВС
Рассмотрим более подробно каждый из этих показателей.
Основные конструктивные отличия ДВС
Если говорить о главных отличиях в конструкции поршневых двигателей, различные силовые агрегаты делятся на рядные горизонтальные и вертикальны по расположению цилиндров. Также двигатели бывают V-образными, оппозитными и т.д.
Еще агрегаты бывают однопоршневыми двигателями, когда в одном цилиндре имеется один поршень и рабочая полость. При этом также встречаются ДВС, в которых поршни движутся противоположно в одном цилиндре, а рабочая полость находится между двумя поршнями. Также бывают моторы двойного действия, в которых по обеим сторонам от поршня имеются рабочие полости.
Отдельно стоит упомянуть и роторно-поршневые двигатели (двигатель Ванкеля), которые также имеют разную конструкцию. Наиболее распространенным вариантом является такой, где ротор, который и является поршнем, движется (планетарное движение) в корпусе. Во время такого движения между ротором и стенками корпуса двигателя образуются камеры сгорания с переменным рабочим объемом.
При этом существуют варианты роторного двигателя, где поршень-ротор не движется, а планетарное движение совершает корпус ДВС. Еще одной разновидностью можно считать агрегаты, в которых движется как корпус, так и сам ротор.
Дизельные двигатели
Дизельный мотор — это вид двигателя, который расходует как горючее дизельное топливо. Основные системы и элементы движка идентичны бензиновому брату, различие состоит в системе впрыска и воспламенении смеси. В дизельном моторе отсутствуют свечи зажигания, поскольку воспламенение смеси от искры не нужно.
На моторах такого типа устанавливаются свечи накала, которые разогревают воздух в камере сгорания, который превышает температуру воспламенения. После этого через форсунки подаётся распылённое топливо, которое сгорает, чем создаёт достаточное давление для привода в движения поршня, который раскручивает коленчатый вал.
Дизель с турбонаддувом
Одним из подвидов дизельного ДВС считается турбодизель. На этом моторе установлена турбина, которая имеет вид улитки. При помощи турбины в мотор подаётся больше количество сжатого воздуха, который даёт больше детонационный эффект, за счёт чего движок можно быстрее разогнать.
Конструктивные особенности
Основная деталь двигателя — блок цилиндров (каталожный номер 11193-1002011), также отличается размерами от своего предшественника. Он имеет заводскую окраску синего цвета. Его высота, расстояние от оси коленвала до верхней плоскости, стала составлять 197.1 мм, против 194.8 мм на модели 2112.
Изменились размеры отверстий для болтов крепления головки блока, они с тали с резьбой М10×1.25. Опоры коренных подшипников на 124-ом моторе, со второй по пятую, стали оборудованы каналами, предназначенными для подачи масла, охлаждающего поршня во время работы.
Коленвал устанавливаемый такой же, как и на моделях 21126 и 11194, с отлитой на шестом противовесе маркировки 11183. За счет радиуса кривошипа 37.8 мм, обеспечили ход поршня 75.6 мм. На валу устанавливается шкив зубчатый, для ременного привода ГРМ. На ремне шириной 25.4 мм, имеются 136 зуба, параболической формы. Ресурс ремня —45 000 км пробега.
Шкив предназначен для привода дополнительных агрегатов с помощью клинового ремня. Применяются ремни трех типов, отличающиеся длиной, в зависимости от оборудования:
- Если привод только на генератор — длина ремня 742 мм.
- При наличии гидроусилителя руля — 1115 мм.
- При наличии ГУРа и кондиционера 1125 мм.
Шкив сконструирован таким образом, что выполняет роль демпфера, снижая крутящие нагрузки, действующие на вал. Еще одна функция — определение положение коленчатого вала, при помощи датчика и зубчатого колеса, вмонтированного в демпфер.
На предыдущих моделях ВАЗ 16v без выемок или с выемками меньшей глубины, в такой ситуации, существовал риск загнуть клапана, что приводило к дорогостоящему ремонту. Так что, опасения и часто возникающие вопросы — гнет ли клапана на этом двигателе, снят.
Маслосъемные и компрессионные кольца производятся из стали или чугуна. Соединение поршней и шатунов осуществляется при помощи пальцев плавающего типа, диаметром 22 мм, длиной — 60.5 мм, с фиксацией стопорными кольцами. Пальцы и шатуны заимствованы от модификации ВАЗ 2110.
Головка блока на 16 клапанный мотор ЛАДА 21124 имеет увеличенную площадку стыковки фланца впускного коллектора. Оба распределительных вала, для выпускных и впускных клапанов, как и сами клапана, пружины, гидрокомпенсаторы также сохранились от предыдущей модификации двигателя.
Для того, чтобы избежать путаницы валы промаркированы цифровым кодом. Если он заканчивается на 14, то это вал выпускных клапанов, если на 15, то это впускной вал.
Еще одно отличие — на впускном валу, присутствует необработанная полоса, рядом с первым толкателем. Добавив в конструкцию гидрокомпенсаторы, производитель ушел от необходимости производить обслуживание клапанов в плане регулировки. Но, они весьма чувствительны к чистоте и качеству смазки. Некачественное масло быстро выведет детали из строя и подлежат замене, такой ремонт ВАЗ 124 не предусмотрен.
Пружинно-клапанная группа аналогична модели 2112. Клапана с одной пружиной и стержнями диаметром — 7 мм (на восьмиклапанных головках их диаметр — 8мм). На распредвалы установлены зубчатые шкивы с метками для установки фаз газораспределения. По сравнению с моделью 2112, метки смещены друг относительно друга на 2°.
Так же как и валы, шкивы имеют отличия в конструкции и в маркировке — на впускном, с задней стороны приварена планка, на выпускном она отсутствует. Оба шкива имеют на ступице метки в виде кружочков.
Правильная натяжка ремня производится посредством опорного и натяжного роликов с ребордами (для исключения возможности соскальзывания).
Прокладка ГБЦ производится из материала, не содержащего асбест. Отверстия под цилиндры выполнены с металлическим кантом.
Впускной коллектор объединен с ресивером и выполнен из пластика.
Впервые в автомобилях семейства ВАЗ 2110, установили каталитический нейтрализатор, объединенный с выхлопным коллектором. В зависимости от того под какие требования EURO 4 или 5 предназначен 124 мотор, устанавливается свой тип коллектора.
Обновилась конструкция топливной рампы, её начали производить из нержавеющей стали. Из топливной системы убрали сливную линию, вместо неё, для сброса излишнего давления установили перепускной клапан на насосе. Для подачи топлива непосредственно в цилиндры, применялись форсунки производства Бош и Сименс.
Катушки зажигания установили на свечи, каждой свече индивидуальная катушка, с дополнительной фиксацией к клапанной крышке. При таком способе высоковольтные провода стали не нужны, а управление зажиганием стало осуществляться блоками управления Бош М7.9.7 или российской Январь 7.2, предназначенными для EURO-4 и 3.
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания
Основная статья: Комбинированный двигатель внутреннего сгорания
— двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внёс советский инженер, профессор А. Н. Шелест.
Турбонагнетание
Наиболее распространённым типом комбинированных двигателей является поршневой с турбонагнетателем.
Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала.
Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет нагнетать воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем воздуха (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.
На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.
Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку тому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.
Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры или при использованием турбины с изменяемой геометрией, в автоспорте также применяется принудительный разгон турбины с помощью системы рекуперации энергии). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).
Простым языком о крутящем моменте
Если внимательно изучить основные характеристики двигателя авто, то можно столкнуться со следующими понятиями:
- уровень мощности мотора машины, который измеряется в лошадиных силах;
- крутящий момент мотора машины (измеряется в ньютонометрах);
- число оборотов, которые мотор машины делает в течение одной минуты.
Подавляющее большинство людей, которые видят значение в 100 или же в 200 л.с. считают, что это хорошо. И, по большому счету, это действительно так. 100 л.с. или же лошадиных сил являются очень хорошими показателями для городских кроссоверов, которые отличаются компактными размерами, или же для мощных хэтчбеков.
Однако такие характеристики как крутящий момент, число оборотов, которые мотор делает в течение одной минуты, являются не менее важными характеристиками мотора. Потому как уровень мощности в 200 л.с. может быть достигнут, только когда мотор автотранспортного средства работает на пределе. От крутящего момента и будет зависеть быстрота разгона транспортного средства.
Допустим, что вы едете на своей машине по автомобильной трассе на большой скорости, включив четвертую или же пятую передачу. Если вдруг дорога станет подниматься, то уровень мощности мотора вашего транспортного средства может просто оказаться недостаточно.
По этой причине вам придется переходить на низкие передачи, уровень мощности мотора, соответственно, от этого будет увеличиваться. Крутящий же момент обеспечивает увеличение уровня мощности мотора автотранспортного средства, помогая активизировать все его силы на то, чтобы преодолеть препятствие.
Это будет зависеть главным образом от конкретной марки транспортного средства. Что касается двигателей дизельного типа, то у них максимальный крутящий момент в подавляющем большинстве случаев наблюдается на трех-четырех тысячах оборотов в течение одной минуты.
Соответственно, у них гораздо лучше динамика разгона. Тем не менее, в плане максимального уровня мощности они очень сильного проигрывают двигателям, которые работают на бензине.
Ну и для того, чтобы читателям было совсем понятно, что представляет собой крутящий момент, расскажем о единицах, в которых он измеряется. Это метры и ньютоны. Это та сила, с которой мощность поступает от поршня на маховик через коленвал. И уже от него на трансмиссию (коробку передач). От скорости движения поршня будет непосредственным образом зависеть скорость движения маховика.
Хотя существуют и такие автотранспортные средства, мотор которых вырабатывает тягу даже при низких оборотах. К таким в частности, можно отнести различного рода трактора, самосвалы, а также внедорожники.
От чего зависит крутящий момент мотора автотранспортного средства
Само собой разумеется, что самые мощные моторы транспортных средств обладают достаточно крупными размерами. Соответственно, если ваше транспортное средство – это малолитражка или же компактный хэтчбек, то у вас не получится ни резко разогнаться, ни «стартануть» с места.
Исходя из этого, на малолитражках двигатель используется только лишь на половину своей максимальной мощности. В то время как мощные транспортные средства способны разгоняться практически с места. При этом отсутствует необходимость в быстром переключении передач.
Еще одним важным параметром, который оказывает самое непосредственное влияние на крутящий момент мотора автотранспортного средства, является его эластичность. Этот параметр показывает соотношение числа оборотов, которое делает мотор в течение одной минуты, и уровня мощности.
Даже на низкой передаче авто может ехать с достаточно высокой скоростью при двигателе, работающем на полную мощность. Это является особенно актуальным при езде по городским улицам, потому как там водителям приходится постоянно притормаживать, разгоняться, а потом снова притормаживать.
При езде по автомобильной трассе это тоже очень выгодно, потому как можно разогнать двигатель транспортного средства до необходимого количества оборотов всего одним нажатием на педаль.
Количество цилиндров двигателя
Устройство двигателя внутреннего сгорания предусматривает наличие 2,4,8 или 16 цилиндров. Это серьезный показатель, т.к. большее количество цилиндров обеспечивает наиболее плавный прирост крутящего момента и значительное увеличение мощности. Автомобили, оснащенные одинаковым количеством цилиндров, не будут иметь одинаковую мощность. Это говорит о том, что один параметр не может характеризовать работу всего двигателя.