Часть 1. Что важнее для разгона: мощность или крутящий момент?
В инетернете бесчисленное количество статей на эту тему, но, к сожалению, в большинстве своем это совершенно безграмотные перепечатки друг с друга, причем в процессе перепечатки исходный смысл, если он когда-то и был верный, искажеается до неузнаваемости.
Поэтому сам для себя решил разобраться в вопросе, а заодно написать статью — пусть будет.
Итак, для того чтобы выяснить, что важнее для разгона, мощность или крутящий момент, достаточно открыть школьный учебник физики и найти формулу работы, выраженной через изменение кинетической энергии.
Выглядит она вот так:
Кинетическая же энергия, в свою очередь, описывается следующей формулой, где m – это масса, а V – скорость:
Теперь вспомним, что мощность – это работа, произведенная за промежуток времени:
Теперь, исходя из того что разгоняемся мы с места, то есть начальная кинетическая энергия Ek равна нулю, поскольку начальная скорость равна нулю, выразим, от чего зависит время, за который мы достигнем скорости V:
Как видим, время, за которое мы достигнем заданной скорости V, зависит исключительно от соотношения массы к мощности: чем меньше масса автомобиля и чем больше его мощность – тем быстрее он достигнет заданной скорости. От крутящего момента время разгона никак не зависит.
А теперь давайте проверим теорию практикой, а то вдруг формулы врут. Правда, у меня практика также будет теоретической, но каждый из вас может перевести ее на 100% в практическое русло.
Итак, для проверки теоретической части нам потребуются два абсолютно одинаковых автомобиля, у одного из которого будет больше мощность, но меньше момент, а у другого – ровно наоборот. Если теоретические изложения верны, то быстрее разгоняться будет тот автомобиль, у которого больше мощность.
Хорошая новость заключается в том, что у каждого автовладельца есть такая пара автомобилей — взглянем на типичный график момента и мощности:
Как видим, в зоне низких оборотов двигатель имеет большой крутящий момент и малую мощность, а в зоне высоких – наоборот. Вот вам два идентичных автомобиля с разными двигателями.
То есть каждый из вас может произвести два эксперимента: используя ручное переключение передач, попробовать разогнаться до 100 км/ч в зоне максимального момента, а потом – зоне максимальной мощности и сравнить результаты. Предсказываю, что разгон будет быстрее в зоне максимальной мощности. И именно поэтому АКПП вашего авто настроена на разгон в зоне оборотов максимальной мощности, а не момента.
Почему же так происходит? Ведь из той же физики мы помним, чем больше сила – тем больше ускорение и вроде как логичным было бы разгоняться в зоне максимального момента, который обеспечил бы максимальную силу и, как следствие, максимальное ускорение.
Дело в том что тут есть нюанс, о котором многие не задумываются: тот момент, который указан на графике — это момент на валу двигателя, но ведь автомобиль отталкивается от асфальта не валом, а колесами, стало быть, нас должен интересовать момент именно на колесах. А он будет тем выше, чем выше мощность, выдаваемая двигателем. Чтобы понять, почему так происходит, взглянем на график:
Предположим, что автомобиль двигается с некоторой скоростью на какой-то передаче, педаль газа нажата не полностью, поэтому значения мощности и момента далеки от максимально возможных — позиция обозначена цифрой “1”. И теперь нам надо резко ускориться. У нас есть два возможных варианта, на графике обозначены буквами:
А) без изменения передачи нажать до упора педаль газа, в этом случае двигатель нам выдаст 320 Н*м момента и 100 л.с. мощности
В) одновременно с нажатием газа скинуть несколько передач вниз, обороты в этом случае вырастут и двигатель выдаст лишь 250 Н*м момента, но зато 180 л.с. мощности
Момент на колесах будет равным моменту двигателя, умноженному на передаточное число выбранной передачи:
Так как в начальный момент времени скорость автомобиля одинаковая для обоих вариантов, то и скорость вращения колес также одинаковая, следовательно передаточное число передачи в случае “В” будет в 2,5 раза выше чем в случае “А”: 5000/2000 = 2,5.
Составим отношение моментов на колесах для обоих вариантов:
Получается, что в варианте “В”, несмотря на меньший момент на валу двигателя, мы получаем почти двукратное превосходство в моменте на колесах. Таким образом, разгон в зоне оборотов максимальной мощности будет более эффективным, что и требовалось доказать.
Что важней для быстрого разгона, крутящий момент или лошадиные силы в автомобиле?
Этот вопрос обычно возникает у многих автолюбителей по причине не понимания, а что такое крутящий момент и, что такое лошадиная сила мотора. На самом деле общая динамическая характеристика самого автомобиля складывается из-за совокупного значения крутящего момента и количества в нем л.с. Чем больше крутящий момент и больше лошадиных сил в автомобиле, тем он мощнее, сильнее и быстрее.
Так что же важней при разгоне машины? Эксперты попытались объяснить это самым простым и доступным способом, без каких-либо научных терминов.
Энцо Феррари однажды сказал: «Лошадиные силы продают автомобиль, крутящий момент выигрывает гонки».
Представьте себе друзья следующее, что Вы хотите открутить большой массивный болт. Крутящий момент это то, сколько силы (Ньютон-метр — Нм) нам (вам) потребуется, чтобы открутить этот болт.
Лошадиная сила — это время, сколько нам (вам) потребуется для открутки данного болта. Теперь друзья представьте себя того атлета, который способен открутить этот болт быстрее чем Вы. Представили? Например, сам этот атлет сможет открутить такой болт примерно за 3 секунды, а Вы- только за 9 девять секунд. Вы наверное считаете, что причина скрывется в силе атлета? На самом деле это не так.
Дело все в том, что атлет и Вы будете применять к болту (оказывать на болт) одинаковый крутящий момент (Нм), чтобы его открутить. Так почему же тогда атлет может сделать это быстрее Вас, если при откручивании болта Вы и он оказываете на него одинаковую силу? Все дело как-раз в лошадиных силах.
У атлета их гораздо больше, именно по этой причине он может в несколько раз быстрее открутить этот болт. Поэтому надо запомнить, что на динамику разгона больше всего влияют лошадиные силы, но без большого крутящего момента такого хорошего разгона также не получиться.
Мощность двигателя или Крутящий момент…
Основной характеристикой двигателя автомобиля обычно считают его Мощность. Именно этот показатель вводит в заблуждение в понимании динамичности разгона автомобиля.
Движение автомобиля происходит за счёт Мощности двигателя и Крутящего момента.
Мощность автомобиля определяется объёмом двигателя. Чем больше объём, тем больше мощность. Чем больше мощность, тем выше максимальная скорость автомобиля в каких-то режимах. Что же такое “Мощность”?
Мощность двигателя – это показатель вырабатываемой двигателем работы (энергии) в единицу времени. Пока двигатель работает, он производит работу, то есть переводит один вид энергии в другой. В данном случае тепловую энергию в крутящую (кинетическую) энергию движения.
Энергия образуется в двигателе за счёт сгорания горючего коктейля состоящего из воздуха и топлива. Чем точнее ингредиенты, тем лучше его сгорание. В разных режимах работы двигателя поджог горючей смеси и его сгорание происходят по-разному. Количество горючей смеси, частота его поджога определяет количество произведённой работы двигателем. Это выражается в количестве оборотов. Чем чаще сгорает смесь, тем больше двигатель производит работы. Менее часто – меньше работы производит. Соответственно и меньше оборотов двигателя.
Крутящий момент – это усилие, развиваемое двигателем. Крутящий момент определяет силу тяги на колесах и обеспечивает обычному автомобилю разгон и движение. Чем больше Крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля. Крутящий момент увеличивается с ростом рабочего объема двигателя. Поэтому двигатели, которым необходим значительный Крутящий момент, обладают большим объемом. От двигателя тяга быстрее передаётся к колесам, что позволяет машине интенсивнее разгоняться или же лучше тянуть.
Что же такое Крутящий момент и развиваемое усилие?
Все в детстве, например, крутили колесо велосипеда. Сначала задавали движение колесу. А потом, в определённый момент, прикладывали дополнительное усилие так, чтобы ускорить вращение. То есть своим усилием вы увеличивали Крутящий момент. По такому же принципу — до определённых оборотов — двигателем создаётся Крутящий момент через развиваемое усилие.
Например, чтобы переключиться на повышенную передачу, вам приходится раскручивать двигатель, чтобы создать крутящий момент. И когда вы переключились на повышенную передачу, крутящий момент компенсирует снижение мощности. Обороты снизились, и снизилась мощность. А динамика усилилась за счёт крутящего момента.
Для справки: Чем больше вы жмёте на педаль, тем больше обороты. А чем больше обороты, тем больше двигатель производит работы. А чем больше он производит работы, тем больше ему требуется топлива. Наибольшую мощность двигатель выдаёт при оборотах, близких к максимальным. Мощность двигателя и Крутящий момент зависят от наполняемости камеры сгорания горючей смесью.
Обороты двигателя обычного автомобиля делятся условно на четыре диапазона: холостые обороты — 600-950, малые — 950-2500, средние — 2500-4000, высокие — 4000 до макс.
На оборотах выше средних Крутящий момент достигает своего пика и начинает падать. В этом режиме наполнение камеры сгорания горючей смесью ухудшается, сила давления падает. Работа двигателя тратится на борьбу с инерцией и трением в двигателе. Из-за этого происходит снижение крутящего момента и динамики разгона.
На большинстве автомобилей тяга начинается от 2500 до 3500 об/мин. Возникает закономерный вопрос. Почему двигателю не хватает мощности и усилия до этих оборотов, чтобы задать Крутящий момент и создать инерцию движения? Дело в том, что идёт неправильное приготовление горючей смеси и происходит неполное сгорание топлива.
И на это есть несколько причин. И одна из них — это недостаток воздуха и плохое смешивание топлива с воздухом. И мы как раз занимаемся тем, что устраняем эту причину! Но это так, к слову, на правах рекламы!
Когда мы делаем профессиональный тюнинг дросселя, то горючая смесь на малых-средних оборотах становится правильной. Она лучше сгорает, создавая лучшее давление. Например, все в детстве качались на качелях или кого-то качали. Что бы раскачать качели в определённый момент прикладывали усилие, чтобы усилить движение. Здесь происходит что-то подобное. Сгораемая горючая смесь производит наилучшее усилие.
На дизельных машинах воздуха подаётся столько, сколько нужно. Поэтому у дизельных авто хорошая тяга на малых оборотах. На бензиновых авто водитель подачу воздуха осуществляет нажатием педали газа, которая соединена с дроссельной заслонкой. Насколько педаль нажали, столько воздуха и пропустили. Поэтому приходится нажимать достаточно, чтобы автомобиль поехал. Поэтому у бензиновых авто тяга на малых оборотах оставляет желать лучшего. То есть в диапазоне от 950 до 2500 об/мин воздуха не достаёт, а топлива подаётся больше необходимого. По этой причине в городском цикле расход автомобиля повышенный, потому что не всё топливо сгорает.
Дроссельная заслонка соединена с датчиком положения дроссельной заслонки. Это значит, что положение заслонки сообщает компьютеру авто сколько топлива нужно подать. Когда вы едете равномерно по трассе, то недостача воздуха компенсируется инерцией и крутящим моментом. Но, когда вы пытаетесь начать движение, задать инерцию автомобилю, то недостача воздуха до 2500-3500 об/мин даёт о себе знать. В результате — дёрганье при трогании с места и провалы при резком нажатии на педаль газа.
Резюме. Чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего топлива. Крутящий момент обеспечивает тягу при трогании с места и разгоне, если он достаточно большой и относительно постоянный на низких и средних оборотах. Высокий Крутящий момент в области низких и средних оборотов более экономичен, чем теоретическая максимальная мощность при высоких оборотах. Двигатели, которые выдают высокий Крутящий момент в широкой области оборотов, обеспечивают более равномерную Мощность при разгоне автомобиля, чем двигатели, которые выдают высокую максимальную Мощность в узком диапазоне оборотов. Равномерное нажатие на педаль газа даёт наилучший Крутящий момент при ускорении авто.
Загадка!
Если вы поняли, что причина отсутствия тяги на малых оборотах, это недостаток воздуха и неполное сгорание топлива, то вот вам загадка!
На картинке изображёна условная схема механического дросселя Рено Дастер 1,6л или ВАЗ Ларгус с таким же двигателем К4М. Красным кружочком выделен один из выступов в этом дросселе.
Вопрос! Зачем нужны эти выступы, если они ограничивают подачу воздуха до того момента, пока заслонка не откроется настолько, чтобы выйти за эти выступы? Из-за этих выступов машина тупит и у неё повышенный расход. Чтобы машина ехала, педаль газа надо нажимать от половины до максимума.
Ответ! – А хрен его знает!
Двигатель придушен не только электроникой, но и механически в виде этих выступов. Если убрать эти выступы, то машина станет более живой. А после нашей доработки автомобиль станет динамичным, легким в движении, и расход снизится минимум на 1,5 литра.
Для справки: выше перечисленные автомобили не являются единственными с данными проблемами. Возможно, ваш автомобиль исключение из правил! Даже владельцы автомобилей с двигателями 3-5,7 л после нашей услуги понимают, каких удовольствий их лишил автопроизводитель. Когда вы понимаете, что значит «автомобиль едет», вы слышите, как мучается чей-то автомобиль при наборе скорости. После нашей услуги двигатель 2 л. не становится 3-х литровым. Мы не увеличиваем заявленную мощность мотора. Мы просто увеличиваем тягу автомобиля на малых и средних оборотах, увеличив крутящий момент, через лучшее сгорание топлива.
Вам нужен автомобиль, который при трогании с места и при разгоне
не напрягаясь «следует» за педалью газа?!
Если «Да!», то наши услуги для Вас!
Что важнее для разгона – мощность или крутящий момент
Этот вопрос – одна из главных тем «холиваров» на автомобильных форумах. Оппоненты готовы порвать друг друга, приводя десятки аргументов. А ведь все просто: мощность — это и есть момент! Как так? Сейчас объясним.
В детстве многие люди постарше собирали фантики «Турбо», на них почти обязательно указывались мощность и максимальная скорость машины. Чем больше цифры, тем больше почтения модели авто. Похоже, так и продолжается до сих пор — лишние несколько лошадиных сил часто становятся решающим аргументом «за» или «против» какой-либо машины.
Но вот уже слышны голоса познавших дизельный Дзен о том, что важен только Крутящий Момент, да и подозрительно хорошая динамика более слабых бензиновых моторов со всякими турбинами или разными там системами VVT-i заставляет иногда водителей усомниться в верности принципа «чем мощнее, тем быстрее», а уж про налоги, которые почему-то зависят от мощности, и так все наслышаны.
Так что же такое мощность и как она связана с динамикой?
В паспортных характеристиках машины и на тех самых вкладышах «Турбо» указана максимальная мощность двигателя. Но что она дает машине? И как с ней связан крутящий момент? Постараемся объяснить максимально просто эту важную истину.
Крутящий момент, напомним, есть произведение силы на плечо рычага. А для двигателя — это сила, с которой вращается коленчатый вал двигателя. Измеряется обычно в ньютонах на метр или в килограмм-силах на метр.
График внешней характеристики двигателя
Собственно, момент возникает, если тормозить вращение коленчатого вала каким-то способом — гидротормозом, генератором или заставить тянуть машину. Именно так его и замеряют — тормозят сам двигатель или колеса машины гидротормозом. Для двигателя обычно указывается максимальный крутящий момент, который развивает мотор при полностью нажатой педали газа, с чьей помощью водитель как раз регулирует, какую часть момента может дать двигатель. Осталось понять, как этот самый момент изменяется. Крутящий момент зависит от величины оборотов двигателя и в начале невелик, потом растет до определенного момента, а затем падает. Почему же?
Пики и спады на графике
В реальной эксплуатации полный момент бывает нужен редко, как раз в тех случаях, когда вы прожимаете педаль газа в пол и надеетесь, что двигатель «вытянет», всё остальное время он меньше максимального на этих оборотах. Но мы уже знаем, что момент меняется не только под воздействием нажатия на педаль газа (механической или электронной), но и с оборотами. На различных оборотах процессы, происходящие в камере сгорания мотора, различны. Дополнительные системы, такие как наддув, системы регулировки фаз ГРМ и прочие, еще сильнее изменяют наполнение камеры сгорания, количество топлива и момент зажигания, и в результате качество и сила рабочего хода зависят от оборотов мотора. Даже если нет никаких систем электронного регулирования, всё равно количество воздуха, попадающего в цилиндр, количество оставшегося выхлопа и оптимальный угол опережения зажигания меняются с оборотами. На самых малых оборотах в цилиндре слишком много остаточных газов или слишком вероятна детонация, потому крутящий момент на малых оборотах обычно намного меньше максимального. На средних оборотах мотор «оживает» — за счет пульсаций во впускном трубопроводе больше воздуха поступает в цилиндры, меньше остаточных газов, потому и растет крутящий момент. Если у машины есть турбина или нагнетатель, то они начинают работать в полную силу. Но с ростом оборотов растут и механические потери на трение поршневых колец, трение и инерционные потери в ГРМ, на разогрев масла в подшипниках и т.д. и т.п., а качество рабочего процесса не улучшается или даже начинает падать. В результате на высоких оборотах момент начинает уменьшаться за счет возрастающих потерь. А у турбонаддувного двигателя в какой-то момент перестает хватать производительности турбины и момент тоже начинает снижаться. Теперь взглянем на график типичного атмосферного (то есть безнаддувного) мотора времен 90-х годов, где есть кривые не только момента, но и мощности.
А вот турбомотор схожего объема, у него момент в зоне средних оборотов ограничен электроникой, часто на пределе прочности цилиндро-поршневой группы, и график мощности тоже очень «гладкий». Хорошо заметно, на сколько выше у него мощность в начале и середине графика.
Обратите внимание именно на кривую мощности. Она круто идет вверх там, где момент большой, и почти не растет там, где он падает. Объяснение этому очень простое: Мощность — это то, сколько работы может выполнить мотор за секунду. Для двигателя внутреннего сгорания мощность в киловаттах в каждой точке графика можно получить, умножив момент двигателя в ньютонах на число оборотов в минуту и разделив на 9549, то есть примерно так:
Следовательно, мощность мотора на любых оборотах зависит только от крутящего момента на этих оборотах, а максимальная мощность получается в точке, в которой момент уже уменьшается, но при этом произведение мощности и оборотов пока еще увеличивается. И чтобы увеличить максимальную мощность, можно просто увеличить момент на высоких оборотах или сделать так, чтобы он уменьшался не так быстро. Взгляните на типичный график высокооборотного мотора Honda — японцы поступили именно так.
Надеюсь, достаточно понятна точка зрения тех, кто говорит, что «мощность не важна — важен только момент»? Еще раз: мощность как таковая зависит напрямую от момента и сама по себе является математической, расчетной величиной, которую невозможно измерить отдельно от момента. Крутящий момент, по сути, отражает ту мощность, которая будет доступна на «неполных» оборотах двигателя, а просто при нажатии на газ при обгоне. И чем момента больше, тем лучше! Ведь и мощность на этих оборотах будет выше. А чем больше мощности, тем больше энергии можно придать машине, тем лучше динамика разгона. А максимальная мощность в первую очередь влияет на максимальную скорость машины. Ведь при правильно рассчитанных передаточных числах главной передачи и КПП получается, что максимальная скорость достигается тогда, когда затрачиваемая мощность будет равна мощности мотора. А мощность всех потерь как раз зависит от скорости движения, в первую очередь от сопротивления воздуха и сопротивления качению колес, и в какой-то момент она обязательно совпадет с мощностью мотора, именно эта скорость и будет максимальной. Бывают, конечно, просчеты, когда двигатель или не может развить обороты максимальной мощности, или уже «упирается» в ограничитель, но это бывает не так уж часто.
Дизельный момент
Теперь отвечу на типичный, но простой вопрос: «Почему на дизельных моторах традиционно большой крутящий момент, но при этом сравнительно с бензиновыми у них невысокая мощность?». Всё потому, что у дизеля ограничены рабочие обороты. Из-за высокой степени сжатия дизельных моторов и более медленно горящего топлива дизели хуже работают на больших оборотах, зато у них нет риска детонации, да и турбину можно поставить более эффективную и сложную из-за более низкой температуры газов на выпуске, так что можно подать очень много воздуха и топлива, и момент на малых оборотах получится очень большой. А иногда по мощности они даже будут не так уж далеки от турбонаддувных бензиновых, но момент будет не просто большим, а огромным. Для сравнения приведем характеристики двух трехлитровых моторов от современной BMW 5 series, где будет видно, что дизели эффективны в более низких оборотах. Дизель можно сделать мощнее бензинового мотора, но тогда и так большой момент будет больше еще на четверть, а это означает, что понадобится новая коробка передач и новые карданные валы, способные выдерживать такую мощность. Да и сам двигатель придется сделать еще прочнее и тяжелее. Или можно его «раскрутить», но тогда сложнее будет работать топливной аппаратуре, а допускать дымления и неполного сгорания топлива нельзя.
Так как же правильно разгоняться?
Тут важно уметь работать с коробкой передач. Для максимального разгона нужно переключаться так, чтобы обороты упали примерно на пик крутящего момента или выше него, но чтобы оставался запас по увеличению оборотов — разгон выше оборотов максимальной мощности будет идти медленнее. Идеальный вариант на гражданских машинах — разгон «от пика момента до пика мощности». Впрочем, обычно на современных моторах электроника просто не даст «перекрутить» мотор сильно выше пика мощности — это называется отсечкой. Можно попробовать представить себе это визуально. Посмотрите на график внешней скоростной характеристики. Мотор при разгоне должен как можно больше работать в зоне, где его мощность максимальна, то есть на высоких оборотах вблизи точки максимальной мощности. И при переключении передач попадать в зону с как можно большей достижимой мощностью. Внизу — графики мощности и момента уже знакомых нам атмосферного Honda Accord Type R и турбированного Saab 9-3. На графиках мы выделили диапазоны оборотов, в которых будет работать двигатель, если включить вторую или третью передачу на скорости около 50 км/ч. Чем больше площадь фигуры под кривой мощности, тем эффективнее разгон.