Этот вопрос является одной из основных тем «хулиганства» на автомобильных форумах. Противники готовы разорвать друг друга на части, приводя десятки аргументов. Но все просто: мощность — это крутящий момент! Как это происходит, мы сейчас объясним.
Когда я был ребенком, многие пожилые люди собирали «турбо» пакеты, и на них почти в обязательном порядке указывались мощность и максимальная скорость автомобиля. Чем больше цифры, тем больше уважения к данной модели автомобиля. Похоже, так происходит и сегодня — несколько дополнительных лошадиных сил часто становятся решающим аргументом «за» или «против» любого автомобиля.
Кроме того, подозрительно хорошая динамика более слабых бензиновых двигателей с турбонаддувом или некоторыми системами VVT-i заставляет водителей сомневаться в справедливости принципа «чем мощнее, тем быстрее», а о налогах, которые так или иначе зависят от мощности, все уже наслышаны.
Что такое мощность и как она связана с динамикой?
Максимальная мощность двигателя указана в паспортных характеристиках и на вкладышах ‘turbo’. Но что это дает автомобилю? И как с этим связан крутящий момент? Мы постараемся объяснить эту важную истину как можно проще.
Крутящий момент, напомним, — это произведение силы на плечо рычага. А в случае с двигателем — это сила, с которой вращается коленчатый вал двигателя. Обычно она измеряется в ньютонах на метр или килограммах силы на метр.
График внешней характеристики двигателя
На самом деле крутящий момент создается путем торможения вращения коленчатого вала каким-либо способом — с помощью гидравлического тормоза, генератора переменного тока или заставляя машину тянуть. Вот как он измеряется — сам двигатель или колеса автомобиля затормаживаются гидравлическим тормозом. Обычно для двигателя указывается максимальный крутящий момент, который он развивает при полностью нажатой педали акселератора, с помощью которого водитель просто регулирует, какой крутящий момент может выдать двигатель. Остается понять, как изменяется этот самый крутящий момент. Крутящий момент зависит от частоты вращения двигателя и вначале является низким, затем увеличивается до определенного момента, а затем уменьшается. Почему?
Пики и спады на графике
В реальной жизни полный крутящий момент нужен редко — он есть только тогда, когда вы давите акселератор в пол и надеетесь, что двигатель «вытянет», все остальное время он меньше максимального на этих оборотах. Но мы уже знаем, что крутящий момент меняется не только при нажатии на педаль газа (механическую или электронную), но и при изменении оборотов. Процессы в камере сгорания двигателя протекают по-разному при разных оборотах двигателя.
Дополнительные системы, такие как наддув, системы с изменяемым фазовым числом клапанов и т.п., еще больше изменяют содержимое камеры сгорания, количество топлива и время зажигания, в результате чего качество и мощность езды зависят от оборотов двигателя. Даже если нет электронной системы управления, количество воздуха, поступающего в цилиндр, количество оставшихся выхлопных газов и оптимальный угол опережения зажигания все равно изменяются с оборотами. На самых низких оборотах в цилиндре остается слишком много остаточного газа или слишком велика вероятность детонации, поэтому крутящий момент на низких оборотах обычно значительно ниже максимального.
На средних оборотах двигатель «оживает». — Больше воздуха поступает в цилиндры благодаря пульсации во впускной трубе, меньше остаточного газа, поэтому крутящий момент увеличивается. Если на автомобиле установлен турбокомпрессор или нагнетатель, то они начинают работать на полных оборотах. Но при более высоких оборотах механические потери на трение в поршневых кольцах, потери на трение и инерцию в ремне ГРМ, нагрев масла в подшипниках и т.д. возрастают, и качество работы не улучшается, а даже начинает снижаться. В результате крутящий момент начинает снижаться на более высоких оборотах из-за возрастающих потерь. А в двигателе с турбонаддувом в какой-то момент производительность турбины перестает быть достаточной, и крутящий момент также начинает падать. Теперь давайте посмотрим на график типичного атмосферного (т.е. не наддувного) двигателя 1990-х годов, где есть кривые не только для крутящего момента, но и для мощности.
А вот турбодвигатель аналогичного объема, у него крутящий момент в зоне средних оборотов ограничен электроникой, часто на пределе возможностей цилиндро-поршневой группы, и график мощности тоже очень «гладкий». Вы можете хорошо видеть, насколько больше мощности он имеет в начале и середине графика.
Обратите пристальное внимание на кривую мощности. Он резко возрастает там, где крутящий момент высок, и почти не возрастает там, где крутящий момент низок. Объяснение этому очень простое: мощность — это количество работы, которую двигатель может совершить в секунду. Для двигателя внутреннего сгорания мощность в киловаттах в любой точке графика можно получить, умножив крутящий момент двигателя в ньютонах на число оборотов в минуту и разделив на 9549, что приблизительно выглядит следующим образом:
Таким образом, мощность двигателя на любых оборотах зависит только от крутящего момента на этих оборотах, а максимальная мощность достигается в точке, где крутящий момент уже уменьшается, но произведение мощности и оборотов еще растет. А чтобы увеличить максимальную мощность, можно просто увеличить крутящий момент на более высоких оборотах или сделать так, чтобы он не снижался так быстро. Взгляните на типичную схему высокофорсированного двигателя Honda — японцы сделали именно это.
Надеюсь, точка зрения тех, кто говорит, что «мощность не важна — важен только крутящий момент», достаточно ясна? Еще раз: мощность как таковая напрямую зависит от крутящего момента и сама по себе является математической, вычислительной величиной, которую нельзя измерить в отрыве от крутящего момента. Крутящий момент фактически отражает мощность, которая была бы доступна при «неполных» оборотах двигателя, если просто нажать на газ при обгоне. И чем больше крутящий момент, тем лучше! В конце концов, мощность на этих оборотах также будет выше. Чем больше мощность, тем больше энергии вы можете вложить в автомобиль, тем лучше динамика разгона. Максимальная мощность оказывает большое влияние на максимальную скорость автомобиля. При правильно рассчитанном соотношении главной передачи и коробки передач получается, что максимальная скорость достигается, когда подводимая мощность равна мощности двигателя. А мощность всех потерь зависит именно от скорости движения, прежде всего от сопротивления воздуха и сопротивления качению колес, и в определенный момент будет совпадать с мощностью двигателя, т.е. эта скорость будет максимальной. Конечно, бывают и просчеты, когда двигатель либо не способен развить скорость максимальной мощности, либо уже «упирается» в ограничитель, но это случается не так часто.
Момент на дизельном двигателе
Сейчас я отвечу на типичный, но простой вопрос: «Почему дизельные двигатели традиционно имеют высокий крутящий момент, но низкий рабочий объем по сравнению с бензиновыми двигателями?». Это связано с тем, что дизельные двигатели имеют ограниченную рабочую скорость. Из-за высокой степени сжатия дизельных двигателей и более медленного горения топлива, дизели хуже работают на высоких оборотах, но им не грозит детонация, а турбина может быть более эффективной и доработанной из-за более низкой температуры выхлопа, поэтому вы можете подавать много воздуха и топлива, а крутящий момент на низких оборотах будет очень высоким. А иногда они даже не так далеко уйдут от бензинового двигателя с турбонаддувом по мощности, но крутящий момент будет не просто большим, а огромным.
Для сравнения здесь приведены характеристики двух трехлитровых двигателей современного BMW 5 серии, из которых видно, что дизели эффективны на более низких оборотах. Дизель можно сделать мощнее бензинового двигателя, но тогда и без того высокий крутящий момент будет на четверть больше, что означает новую коробку передач и новые карданные валы, чтобы справиться с этой мощностью. А сам двигатель должен быть еще мощнее и тяжелее. Его также можно «открутить», но тогда будет сложнее работать с инжекторным оборудованием, а дымление и неполное сгорание топлива не должны допускаться.
Что важнее — момент или мощность двигателя?
Важно знать, как работать с коробкой передач. Для максимального ускорения переключайтесь так, чтобы обороты падали на уровне или выше пикового крутящего момента, но так, чтобы оставался резерв для увеличения оборотов — ускорение на оборотах выше пиковой мощности будет медленнее. Пиковое ускорение идеально подходит для гражданских автомобилей. Однако, как правило, электроника современных двигателей не позволяет «раскрутить» двигатель намного выше пиковой мощности — это называется отсечкой. Вы можете попытаться представить себе это. Посмотрите на график кривой внешней скорости. При разгоне двигатель должен работать как можно больше в зоне максимальной мощности, т.е. на высоких оборотах вблизи точки максимальной мощности. А при переключении передач он должен входить в зону с максимально возможной мощностью. Ниже приведены графики мощности и крутящего момента уже знакомого нам Honda Accord Type R с климат-контролем и турбированного Saab 9-3. На графиках мы обозначили диапазоны оборотов, в которых будет работать двигатель при включении второй или третьей передачи на скорости около 50 км/ч. Чем больше площадь фигуры под кривой мощности, тем эффективнее разгон.
Если коробка передач может переключаться очень быстро, идеальным вариантом будет коробка передач с очень «короткой» первой передачей с большим, высоким передаточным числом для очень высокого крутящего момента. А также очень большое количество «универсальных» передач. Короткая первая передача позволит почти сразу после взлета поднять обороты до уровня, необходимого для некоторого ускорения, и тогда двигатель все время будет работать близко к своему эффективному максимуму. Есть одна проблема. К сожалению, не существует такого понятия, как коробка передач. Электрическая коробка передач была бы лучше всего, но ее вес и низкая эффективность (т.е. потеря мощности при «прохождении» через такую коробку передач) при мощности менее нескольких тысяч киловатт делают ее использование нецелесообразным, если только в гибридах, таких как Mitsubishi Outlander PHEV. Казалось бы, существует практически идеальный вариатор, в котором передаточные числа бесконечны, так как плавно меняются. Но он также страдает от низкой эффективности на высоких передаточных числах и не способен быстро их переключать.
И в результате разгон не лучше, чем с другими трансмиссиями. Гидротрансформатор в традиционных автоматических коробках передач еще хуже, но в сочетании с механической коробкой передач он обеспечивает и надежность, и приличную скорость. А механические коробки передач, особенно «роботы», несмотря на неизбежную потерю мощности при старте из-за трения в дисках сцепления, по-прежнему самые быстрые! У вас просто должно быть много передач. Десять, например, как в новой версии коробки передач DSG. Однако половина из них нужна не для ускорения, а для экономичного движения, но об этом в другой раз.
Какой двигатель вы предпочитаете — с большим крутящим моментом или с большим количеством лошадиных сил?
Если мощность двух двигателей, между которыми вы выбираете, не сильно отличается, выбирайте более «крутящий». Особенно если у вас механическая коробка передач. Значение максимального крутящего момента и мощности на промежуточных режимах в данном случае важнее. Если необходимо постоянно двигаться «на пределе», то более тяговитый двигатель, тем более и более слабый, не будет иметь преимущества, посмотрите хотя бы на мотоциклы, быстрые, но не крутящие легко выигрывают на более тяговитом низкооборотистом. Но оценивать параметры следует в комплексе. Давайте вернемся к нашим пяти BMW. Бензиновый 535i разгоняется до 100 км/ч за 5,6 секунды, а дизельный 530d — за 5,7, потому что мощность бензинового почти на 50 л.с. выше, плюс это турбированный двигатель с хорошими возможностями и в зоне средних оборотов, ну и многоступенчатая автоматическая коробка передач, быстрая и современная.
Мощности должно быть достаточно, но не только на максимальных оборотах, и показатель крутящего момента говорит нам о том, сколько мощности обеспечивает двигатель при нормальном движении. Насколько комфортно разгоняться без переключения передач. А абсолютное значение крутящего момента говорит вам даже меньше, чем указание диапазона оборотов, при котором крутящий момент близок к максимальному, и как близко к этим оборотам находится максимальная мощность. И лучший способ узнать это — построить кривую внешней скорости. Но сам по себе показатель крутящего момента не поможет вам, потому что у более крутого двигателя просто будут другие передаточные числа главной передачи, и вы получите точно такую же мощность на колесах.
Источник: kolesa.ru
