Що важливіше для розгону — потужність чи крутний момент

Це питання — одна з головних тем «холіварів» на автомобільних форумах. Опоненти готові порвати один одного, наводячи десятки аргументів. Але ж усе просто: потужність — це і є момент! Як так? Зараз пояснимо.

У дитинстві багато людей старшого віку збирали фантики «Турбо», на них майже обов’язково вказувалися потужність і максимальна швидкість машини. Що більші цифри, то більше поваги до моделі авто. Схоже, так і триває досі — зайві кілька кінських сил часто стають вирішальним аргументом «за» або «проти» будь-якої машини.

Але ось уже чути голоси тих, хто пізнав дизельний Дзен, про те, що важливим є тільки Крутний Момент, та й підозріло хороша динаміка більш слабких бензинових моторів з усякими турбінами або різними там системами VVT-i змушує іноді водіїв засумніватися у правильності принципу «що потужніший, то швидший», а вже про податки, які чомусь залежать від потужності, і так всі чули.

Так що ж таке потужність і як вона пов’язана з динамікою?

У паспортних характеристиках машини і на тих самих вкладишах «Турбо» вказана максимальна потужність двигуна.

Але що вона дає машині? І як з нею пов’язаний крутильний момент? Постараємося пояснити максимально просто цю важливу істину.

Крутний момент, нагадаємо, є добуток сили на плече важеля. А для двигуна — це сила, з якою обертається колінчастий вал двигуна. Вимірюється зазвичай у ньютонах на метр або в кілограм-силах на метр.

Графік зовнішньої характеристики двигуна

Власне, момент виникає, якщо гальмувати обертання колінчастого вала якимось способом — гідротормозом, генератором або змусити тягнути машину. Саме так його і заміряють — гальмують сам двигун або колеса машини гідротормозом. Для двигуна зазвичай вказується максимальний крутний момент, який розвиває мотор за повністю натиснутої педалі газу, з чиєю допомогою водій якраз регулює, яку частину моменту може дати двигун. Залишилося зрозуміти, як цей самий момент змінюється. Крутний момент залежить від величини обертів двигуна і на початку невеликий, потім зростає до певного моменту, а потім падає. Чому ж?

Піки і спади на графіку

У реальній експлуатації повний момент буває потрібен рідко, якраз у тих випадках, коли ви натискаєте педаль газу до повного ходу і сподіваєтеся, що двигун «витягне», решту часу він менший за максимальний на цих обертах. Але ми вже знаємо, що момент змінюється не тільки під впливом натискання на педаль газу (механічну або електронну), а й з оборотами. На різних обертах процеси, що відбуваються в камері згоряння мотора, різні. Додаткові системи, як-от наддув, системи регулювання фаз ГРМ та інші, ще сильніше змінюють наповнення камери згоряння, кількість палива і момент запалювання, і в результаті якість і сила робочого ходу залежать від обертів мотора. Навіть якщо немає жодних систем електронного регулювання, все одно кількість повітря, що потрапляє в циліндр, кількість вихлопу, що залишився, і оптимальний кут випередження запалювання змінюються з обертами. На найменших обертах у циліндрі занадто багато залишкових газів або занадто ймовірна детонація, тому крутильний момент на малих обертах зазвичай набагато менший за максимальний. На середніх обертах мотор «оживає» — завдяки пульсаціям у впускному топроводі більше повітря надходить у циліндри, менше залишкових газів, тому і зростає крутний момент. Якщо у машини є турбіна або нагнітач, то вони починають працювати на повну силу. Але зі зростанням обертів зростають і механічні втрати на тертя поршневих кілець, тертя та інерційні втрати в ГРМ, на розігрів мастила в підшипниках тощо, а якість робочого процесора зростає.

А ось турбомотор схожого об’єму, у нього момент у зоні середніх обертів обмежений електронікою, часто на межі міцності циліндро-поршневої групи, і графік потужності теж дуже «гладкий». Добре помітно, на скільки вища у нього потужність на початку і в середині графіка.

Зверніть увагу саме на криву потужності. Вона круто йде вгору там, де момент великий, і майже не зростає там, де він падає. Пояснення цьому дуже просте: Потужність — це те, скільки роботи може виконати мотор за секунду. Для двигуна внутрішнього згоряння потужність у кіловатах у кожній точці графіка можна отримати, помноживши момент двигуна в ньютонах на число обертів на хвилину і розділивши на 9549, тобто приблизно так:

Отже, потужність мотора на будь-яких обертах залежить тільки від крутного моменту на цих обертах, а максимальна потужність отримується в точці, в якій момент уже зменшується, але водночас добуток потужності та обертів поки що збільшується. І щоб збільшити максимальну потужність, можна просто збільшити момент на високих обертах або зробити так, щоб він зменшувався не так швидко. Погляньте на типовий графік високооборотного мотора Honda — японці вчинили саме так.

Сподіваюся, досить зрозуміла точка зору тих, хто каже, що «потужність не важлива — важливий тільки момент»? Ще раз: потужність як така залежить безпосередньо від моменту і сама по собі є математичною, розрахунковою величиною, яку неможливо виміряти окремо від моменту. Крутний момент, по суті, відображає ту потужність, яка буде доступна на «неповних» обертах двигуна, а просто під час натискання на газ під час обгону. І чим моменту більше, тим краще! Адже і потужність на цих обертах буде вищою. А що більше потужності, то більше енергії можна надати машині, то краща динаміка розгону. А максимальна потужність насамперед впливає на максимальну швидкість машини. Адже за правильно розрахованих передавальних чисел головної передачі і КПП виходить, що максимальна швидкість досягається тоді, коли витрачена потужність дорівнюватиме потужності мотора. А потужність всіх втрат якраз залежить від швидкості руху, насамперед від опору повітря і опору коченню коліс, і в якийсь момент вона обов’язково збіжиться з потужністю мотора, саме ця швидкість і буде максимальною. Бувають, звісно, прорахунки, коли двигун або не може розвинути оберти максимальної потужності, або вже «впирається» в обмежувач, але це буває не так вже й часто.

Дизельний момент

Тепер відповім на типове, але просте запитання: «Чому на дизельних моторах традиційно великий крутний момент, але водночас порівняно з бензиновими у них невисока потужність?». Все тому, що у дизеля обмежені робочі оберти. Через високий ступінь стиснення дизельних моторів і паливо, яке повільніше горить, дизелі гірше працюють на великих обертах, зате в них немає ризику детонації, та й турбіну можна поставити ефективнішу та складнішу через більш низьку температуру газів на випуску, тож можна подати дуже багато повітря та палива, і момент на малих обертах вийде дуже великий. А іноді за потужністю вони навіть будуть не так уже й далекі від турбонаддувних бензинових, але момент буде не просто великим, а величезним. Для порівняння наведемо характеристики двох трилітрових моторів від сучасної BMW 5 series, де буде видно, що дизелі ефективніші на нижчих обертах. Дизель можна зробити потужнішим за бензиновий мотор, але тоді й так великий момент буде більшим ще на чверть, а це означає, що знадобиться нова коробка передач і нові карданні вали, здатні витримувати таку потужність. Та й сам двигун доведеться зробити ще міцнішим і важчим. Або можна його «розкрутити», але тоді складніше буде працювати паливній апаратурі, а допускати димлення і неповного згоряння палива не можна.

Так як же правильно розганятися?

Тут важливо вміти працювати з коробкою передач. Для максимального розгону потрібно перемикатися так, щоб оберти впали приблизно на пік крутильного моменту або вище за нього, але щоб залишався запас по збільшенню обертів — розгін вище обертів максимальної потужності буде йти повільніше. Ідеальний варіант на цивільних машинах — розгін «від піку моменту до піку потужності». Втім, зазвичай на сучасних моторах електроніка просто не дасть «перекрутити» мотор сильно вище піку потужності — це називається відсіченням. Можна спробувати уявити собі це візуально. Подивіться на графік зовнішньої швидкісної характеристики. Мотор під час розгону має якомога більше працювати в зоні, де його потужність максимальна, тобто на високих обертах поблизу точки максимальної потужності. І під час перемикання передач потрапляти в зону з якомога більшою досяжною потужністю. На фото — графіки потужності і моменту вже знайомих нам атмосферного Honda Accord Type R і турбованого Saab 9-3. На графіках ми виділили діапазони оборотів, в яких працюватиме двигун, якщо увімкнути другу або третю передачу на швидкості близько 50 км/год. Що більша площа фігури під кривою потужності, то ефективніший розгін.