В погоне за мощностью

В последние несколько лет к традиционным маркетинговым «заманухам» добавилась ещё одна — «широкая полка крутящего момента». И это, пожалуй, единственный случай, когда правда жизни не идёт вразрез с рекламными посулами.

История

На заре автомобилизации единственным способом повышения отдачи мотора было увеличение рабочего объёма двигателя. Уже к началу первого десятилетия XX века моторы первых «каракатиц», в которых уже проглядывалась похожесть на то, что мы привыкли считать автомобилем, перешагнули психологически важную отметку в 100 лошадиных сил. А в 1909 году появился Blitzen Benz — один из первых гоночных автомобилей, чей двигатель развивал уже 200 л.с., а сам аппарат мог мчаться свыше 200 км/ч.

Но какой ценой достигались такие показатели? Очень даже экстенсивной. Рабочий объём двигателя Blitzen Benz составлял… 21 литр. При четырех цилиндров. Каждый «горшок» — более пяти литров! Штука в том, что тогдашние системы газораспределения расторопностью не отличались. Да и наука, отвечающая за принципы работы ДВС, только-только делала первые шаги. Никто не представлял — как нужно оптимально организовать образование рабочей смеси бензина с воздухом, как эту смесь подать в цилиндры, в какой момент подать искру и так далее.

Но уже в следующем десятилетии инженеры и конструкторы начали что-то понимать, и эпоха моторов-монстров очень быстро прошла. А что же появилось? В первую очередь — похожий на современный газораспределительный механизм с распредвалом, толкателями и клапанами. Этот абсолютно необходимый с современной точки зрения набор позволил радикально повысить обороты моторов. И те же желанные 200 л.с. стали снимать уже не с 21 литра рабочего объёма, а с 7−8 литров. Но тогда же инженеры и конструкторы столкнулись с обратной стороной медали — моторы стали хуже «тянуть», то есть у них стал ниже «крутящий момент». В чём же дело?

А всё дело в физике уровня современного 7-го класса средней школы. Куда мы сделаем экспресс-экскурс для понимания разницы между «мощностью» и «крутящим моментом». Позволю цитату из меня самого трехмесячной давности: «Человеку, зевавшему на школьных уроках по физике, сложно понять разницу между мощностью и крутящим моментом. Но в первом приближении это выглядит примерно так. Мощность — это насколько быстро вы можете вбежать по лестнице. А момент — насколько сильно вы оттолкнётесь от ступеньки. Можно подниматься короткими шажками, но очень быстро, а можно сразу перемахивать через 2−3 ступеньки, но с приличной отдачей в каждом шаге. Мощность потратится одинаковая, но усилие отталкивания будет разным».

В 21-литровом моторе автомобиля Blitzen Benz каждое «отталкивание от ступеньки», то есть — давление газов на поршень во время рабочего хода после вспышки искры, было очень сильным, но таких «отталкиваний» за единицу времени очень мало. В более поздних моторах в 2−4 раза повысились обороты, но «вклад» каждой вспышки был уже гораздо меньше, зато самих вспышек стало больше.

И 200 л.с. 21-литрового мотора Blitzen Benz, и 200 л.с. 8-литрового мотора 10−15 лет спустя были одинаковы только в одном — способности автомобиля, оснащённого такими моторами, развивать максимальную скорость. А вот когда речь шла о перевозке грузов, возможности тянуть тяжёлый прицеп или брать крутые подъёмы, то первый мотор клал второй на обе лопатки. И тут снова «лестничная» аналогия: «Хорошо натренированный ребёнок или девушка могут соревноваться с осанистым и немного курящим мужиком в скорости подъёма по лестнице, но мешок с картошкой занесёт наверх именно мужик. Да, медленно. Но, в отличие от ребёнка или девушки, точно занесёт».

Ещё чуть-чуть науки

И вот тут самое время привести ещё одну научную нудность: мощность — это произведение крутящего момента на обороты. Если вы обращали внимание на значения мощности в таблицах технических характеристик автомобиля, то рядом с этим значением ВСЕГДА имеется приписка: «при таких-то об/мин». Потому что максимальная мощность двигателя внутреннего сгорания реализуется только на конкретных оборотах, близких к максимально для него возможным. Ниже обороты — ниже мощность. И никак иначе. А часто ли вы ездите на своём автомобиле с максимальными оборотами? Думаю, что практически никогда. А это значит, что и транспортный налог (который высчитывается относительно мощности) платите зазря. И обещания маркетологов о высокой мощности тоже мимо.

А с крутящим моментом уже интереснее. Именно он определяет — как автомобиль ведёт себя в подавляющем большинстве ситуаций на дороге. Но особенности газодинамических процессов в ДВС таковы, что или мы имеем хороший момент и тягу на малых оборотах и плохую «крутильность» на высоких, или высокую мощность в пике и недостаток тяги на низах. С этим боролись и борются по-разному. Лет 20 назад пышным цветом расцвели системы изменения фаз газораспределения (типа «хондовской» VTEC). Но плавное изменение фаз под каждый режим движения — задача сложная, в реальном воплощении громоздкая и не очень надёжная. Большинство же реально работающих систем, в основном, являются компромиссными и занимаются лишь «подкручиванием» распредвалов чуть «вперёд» или чуть «назад».

Турбо

Турбонаддув, как метод повышения отдачи моторов, известен ещё со времён Первой мировой войны, где он применялся на авиационных моторах Renault. Но буквально до конца XX века никто не мог решить главной проблемы турбонаддува — до начала «раскрутки» турбины (до 2500−3000 об/мин) мотор был откровенно вял. Эту проблему мог решить только принцип поворотных лопаток, которые бы одинаково эффективно работали и на малых, и на больших оборотах. И начавшаяся было в конце 1970-х турбо-эра быстро заглохла.

Но в последние примерно 5 лет мы снова наблюдаем турбо-возрождение под именем «даунсайзинг». Однако уже на новом технологическом витке. Инженеры, конструкторы и технологи преодолели проблемы 30-летней давности и добились той самой «полки» крутящего момента — когда момент остаётся постоянным от примерно 1500 до 5000 об/мин. А водитель ощущает это как интуитивно ожидаемый отклик мотора на нажатие педали газа.

Но появилась другая напасть — согласно «теории заговора», автопроизводители начали делать узлы и агрегаты с запрограммированным и достаточно ограниченным ресурсом. И малообъёмные турбомоторы для этого — настоящая находка.

Да, все эти современные турбомоторы имеют малую массу, расходуют относительно мало топлива и выбрасывают относительно мало вредных выбросов. Но начинают хандрить уже к 150, а то и к 100 тысячам километров пробега. А вдобавок отдают мало тепла в систему охлаждения — в нашем климате зимой в этих автомобилях, мягко выражаясь, не жарко.

И главное — традиционные способы и методы дальнейшего улучшения характеристик двигателей внутреннего сгорания (при сохранении приемлемого ресурса) практически исчерпаны. Но это уже отдельная история.

Иллюстрация предоставлена автором