Довгохідні та короткохідні мотори — у чому різниця, і які кращі?

Зізнайтеся, що ви часто бачили в тест-драйвах фрази про «типово короткохідний характер мотора» і не цілком розуміли, про що йдеться. Сьогодні ми нарешті розкажемо, що таке коротко- і довгохідні мотори, у чому різниця підходів до проєктування двигунів, і чому наразі можна впевнено сказати, що «довгохідники» все-таки перемогли.

Середня швидкість, і якою вона буває

Для розуміння питання доведеться згадати трохи про конструкцію ДВЗ і принципи його роботи. Ви напевно знаєте, що в основі будь-якої конструкції двигуна внутрішнього згоряння лежить вплив газів, що розширюються, на поршень. Поршні можуть бути будь-якої форми і розмірів, але у будь-якого поршня є такий параметр, як середня швидкість, і від неї залежить дуже і дуже багато чого.

Середня швидкість поршня — це величина, яку можна визначити за формулою Vp = Sn/30, де S — хід поршня, м; n — частота обертання, хв-1. І саме вона визначає ступінь можливого форсування двигуна за оборотами, прискорення елементів шатунно-поршневої групи під час роботи, а також його механічний ККД.

Від середньої швидкості поршня залежать навантаження на стінку поршня, на поршневий палець, шатун і колінвал. Причому залежність ця квадратична: зі збільшенням швидкості (Vp) удвічі навантаження збільшуються вчетверо, а якщо втричі — то вдев’ятеро.

Експерименти інженерів-мотористів уже дуже давно довели, що класична конструкція шатунно-поршневої групи витримує максимальну швидкість близько 17-23 м/с. І що вища ця величина, то швидше зношується мотор. Збільшити швидкість поршня практично неможливо — найполегшеніші гоночні двигуни Формули-1 мали швидкість близько 23-25 м/с, і це шалено багато. Цього вдалося досягти тільки тому, що «формульні» мотори розраховані на дуже коротку експлуатацію — від них не потрібно «ходити» по 100 000 км.

Від теорії — до практики. Як відомо, потужність мотора — це похідна від крутного моменту, помноженого на оберти (про це я писав велику статтю з таблицями і графіками). Тобто, якщо ми хочемо отримати більше потужності, то треба збільшувати оберти. А оскільки швидкість поршня обмежена, то у нас не залишається іншого вибору, крім як зменшити його хід. Що меншу відстань потрібно пройти поршню за один оберт, то меншою може бути його швидкість.

Короткохідні, довгохідні та «квадратні» мотори

Здавалося б, вище ми щойно озвучили два прекрасних аргументи для максимального зменшення ходу поршня. До того ж, що менший хід поршня, то більший діаметр циліндра за того самого об’єму, і тим більші клапани можна поставити. Поліпшується газообмін, а отже, і робота мотора загалом… Але, як виявилося, безмірно зменшувати хід теж не можна.

Що менший хід, то більшим має бути діаметр циліндра, якщо ми хочемо зберегти об’єм. А ось форма камери згоряння зі зростанням діаметра циліндра погіршується, співвідношення об’єму камери і площі неминуче зростає, збільшується коефіцієнт залишкових газів, зростають теплові втрати, погіршується згоряння палива… ККД падає, схильність до детонації підвищується, погіршуються економічність та екологічність.

При зменшенні ходу поршня знижується, до того ж, і діаметр кривошипа колінчастого вала, а отже, зменшується крутний момент мотора. Погіршуються і масогабаритні параметри двигунів — вони стають значно більшими в горизонтальному перерізі. До того ж для збереження робочого об’єму доводиться збільшувати кількість циліндрів, а це вже веде до різкого підвищення складності конструкції. Загалом, потрібен був компроміс.

Основні завдання проектування моторів вирішили до 60-х років минулого століття, тоді ж намацали межі міцності конструкції за середньою швидкістю поршня. Стало зрозуміло, що оптимальні параметри потужності, загального ККД і габаритів у атмосферного мотора виходять у тому разі, якщо діаметр циліндра дорівнює ходу поршня або трохи менше.

Якщо вони збігаються, то такі мотори ще називають «квадратними». Мотори, у яких діаметр циліндра все-таки більший за хід поршня, називають короткохідними, а ті, у яких він менший, — довгохідними.

Уважний читач скаже: стоп, а звідки взагалі взялися короткохідні мотори, якщо експерименти довели, що найефективнішими є «квадратні» або ледь-ледь довгохідні?! Усе просто: короткоходники набули поширення в автоспорті. Там витрата палива і прийомистість на низьких обертах не сильно «робили погоду», і можна було пожертвувати ККД заради досягнення більшої потужності на високих обертах при збереженні малого робочого об’єму.

Для отримання кращої паливної економічності, тяги і чистоти вихлопу, навпаки, хід поршня збільшували, жертвуючи оборотами і максимальною потужністю. Довгохідні мотори застосовували там, де були потрібні тяга й економічність.

Тим часом, до 80-х років середню швидкість поршня в серійних моторах довели до межі в 18 м/с, далі її збільшувати не виходило. Така ситуація збереглася до 90-х, коли вимоги до масогабаритних і економічних характеристик моторів різко зросли.

Довгохідний прогрес

90-ті роки — це насамперед масове впровадження нових екологічних норм, різке підвищення маси кузова автомобілів через нові вимоги щодо пасивної безпеки, а заразом і зрослі вимоги до габаритів і економічності силових агрегатів. Машини ставали просторішими зсередини і безпечнішими у всіх сенсах.

А двигунам доводилося встигати за прогресом. Масовий перехід на багатоклапанні головки блоків циліндрів підвищив потужність і зробив мотори чистішими. Середній робочий об’єм мотора постаралися зменшити і тим самим виграти у витраті палива і габаритах. Прогрес у галузі конструювання поршневої групи дав змогу зменшити висоту поршня і збільшити довжину шатуна, зробивши більшим механічний ККД мотора.

Отже, стало можливо перейти до більш довгохідних конструкцій, які за того самого робочого об’єму були компактнішими, мали більший крутильний момент і до того ж стали економічнішими. Полегшення поршневої групи дало змогу зменшити навантаження на неї за високих обертів, а масове впровадження турбонаддуву і регульованого впуску — ще й виграти в максимальній потужності і тязі. Помірно довгохідні мотори від цього тільки виграли.

У 2000-ті в стані двигунів об’ємом від 2 літрів намітився перелом у переході від «квадратів» до довгоходових конструкцій. І ось вам кілька прикладів. За робочого об’єму 2 літри мотори VW серії ЕА888 (стоять на безлічі моделей концерну від Skoda Octavia до Audi A5) мають хід поршня 92,8 мм за діаметру циліндра 82,5, а 2-літрові мотори Renault серії F4R (найбільше відомий за Duster) — 93 мм і 82,7 відповідно. Мотори Toyota об’ємом 1,8 л серії 1ZZ (Corolla, Avensis та ін.) — ще більш довгохідні, їхня розмірність 91,5х79.

Робочі оберти таких двигунів помітно зменшилися, особливо у турбонаддувних, знизилися і оберти максимальної потужності. А отже, і зниження механічного ККД уже не настільки важливе, зате переваги очевидні. За габаритами мотори лише трохи більші за «класичні» 1,6 з недавнього минулого, а за тягою і витратою палива набагато перевершують однооб’ємних попередників.

У сучасних моторах намагаються поєднувати високу ефективність роботи довгохідних моторів і підвищений механічний ККД короткохідних. Так, в ультрасучасному моторі BMW серії N20В20 (стоять на 1-й, 3-й, 5-й серіях, X1 і X3) застосовується несиметрична поршнева група, в якій вісь колінчастого вала і вісь поршневих пальців зміщені відносно осі циліндрів, проте його вже знімають з виробництва. Тут використовуються регульований маслонасос, плазмове напилення циліндрів, бездросельний впуск та інші технічні «фокуси» для зниження механічних втрат і опору впуску. Розмірність цього довгохідного мотора 90,1х84, і ніхто не скаже, що у нього погані характеристики хоч у чомусь, крім надійності.

Дизелі

Дизельні мотори, які через особливості робочого циклу зазвичай є довгохідними і низькообертовими, виграли подвійно. Впровадження турбонаддува різко підняло крутний момент і дало змогу знизити ступінь стиснення, а прогрес паливної апаратури і поршневої групи — ще й збільшити робочі оберти.

У підсумку дизелі перевершили за літровою потужністю атмосферні бензинові мотори, а за крутильним моментом — бензинові мотори з наддувом. Так, двигуни серії N57 (3-тя, 5-та, 7-ма серії, X3, X5 та ін.) від BMW за діаметру циліндра 84 мм і ходу поршня 90 мм мають робочий об’єм 2,993 літра, потужність до 381 к. с. та 740 Нм крутильного моменту. Середня швидкість поршня при цьому — 13,2 метра на секунду.

Зворотний бік

Звісно ж, безпрограшних лотерей не буває, і чудової високої віддачі домоглися ціною надійності — тут немає жодного секрету. Старий принцип актуальний і понині: у «сильно довгохідних» моторів висока середня швидкість поршня збільшує навантаження на стінки циліндра.

Звісно ж, матеріали стають кращими, але під час порівняння двигунів однієї серії з різними параметрами ходу поршня і діаметра циліндра помітно, що довгохідні моделі більш схильні до зносу поршневих кілець і задирок циліндрів. І ресурс поршневої у них виявляється істотно нижчим, ніж у більш «квадратних» побратимів.

А ось при порівнянні різних моторів все далеко не так однозначно. На моторах з алюмінієвим блоком і алюмінієвим покриттям намагаються зменшити навантаження на стінку циліндра, зокрема, і зниженням ходу поршня, але, як правило, все одно ресурс виходить меншим, ніж у моторів з чавунними гільзами або блоком.

Мотор Renault-Nissan серії M4R (Qashqai, Fluence та ін.), що прийшов на зміну вже згаданому чавунному F4R, має хід поршня 90,1 мм за діаметру циліндра 84 — він все ще довгохідний, але хід поршня значно скоротився. Габарити при цьому не збільшуються за рахунок більш тонкостінної конструкції блоку циліндрів.

Сучасні двигуни не потребують високих обертів для досягнення високої потужності, а економічність та екологічність стають дедалі важливішими. Нехай навіть у реальній експлуатації заявлені характеристики і не підтверджуються… До того ж можна шляхом ускладнення конструкції обійти безліч обмежень, які десятки років змушували робити вибір між потужністю та економічністю моторів.

Короткохідні «крутильні» мотори просто вимирають, їм немає місця в новому світі. Навіть у Формулі-1 відмовилися від екстремальних конструкцій з робочими обертами за 19 тисяч і співвідношенням діаметра циліндра і ходу поршня більше 2,4 до 1. Звісно, для фанатів і гоночних серій випуск подібної техніки збережеться, але в практичному плані сенсу в ній уже немає. Перемога довгохідних конструкцій, за рідкісним винятком, фактично відбулася.

Одним із небагатьох «оплотів короткохідності» донедавна залишалися атмосферні V6 і V8 від Mercedes-Benz. Так, мотори серії М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 та ін.) — відверто короткохідні в усіх варіантах виконання. Наприклад, у 3-літрової версії співвідношення ходу до діаметра буде 82,1 до 88. Як і їхні предки в особі М104, так і їхні спадкоємці аж до М276, вони були уособленням успішних короткохідних моторів. Компанія не прагнула до зайвої компактності моторів, місця було достатньо, а моменту у двигунів об’ємом 3-3,5 літра і так вистачало з запасом. Городити довгохідну конструкцію не було сенсу.

Але нове покоління двигунів AMG серій М133/М176 з наддувом стали довгохідними — 83х92 мм, як і перспективна рядна шістка 3,0 з наддувом серії М256 — 83х92,4 мм.

З «могікан» залишаються хіба що мотори GM, їхній блок V8 6,2 Vortec/L86/LT1 досі не прагне до компактності, маючи розмірність 103,25х92 мм, і навіть компресорна версія LT4 зберігає ту саму розмірність блоку. Але це, найімовірніше, теж ненадовго.

Кінець суперечкам

Даунсайз, наддув, безпосереднє впорскування, гладка моментна характеристика, високий крутний момент, регульований ГРМ і просунуті трансмісії створили маленьке диво. Суперечки «довгохідний або короткохідний» вже більше не актуальні.

Мотори раптом додали в літровій потужності до меж, які раніше вважалися можливими тільки для спеціально підготовлених гоночних моторів. Побачивши цифри в 120-150 к. с. з літра об’єму, ми вже не дивуємося, і навіть 200 к. с. на літр видаються цілком реальними, а «смішна» паспортна витрата пального для потужної і важкої машини здається цілком реальною. Дизельні двигуни з «бридких каченят» перетворилися на прекрасних лебедів з літровою потужністю навіть більшою, ніж у бензинових двигунів.

Багато в чому все це, плюс зменшення габаритів і ваги моторів, стало можливим завдяки довгоходній конструкції. Тренд, що остаточно оформився, навряд чи переломиться, особливо з урахуванням прогнозованого витіснення ДВЗ електромоторами і різноманітними «подовжувачами дистанції».