25 октября 2009

Речь сегодня пойдет не о фильме, а о важнейшей характеристике двигателя, которая по-научному называется «внешняя скоростная характеристика», а по-народному: «а какая мощность у мотора?» Казалось бы, все просто, открываешь каталог, находишь значения максимальной мощности и максимального крутящего момента двигателя. Выбираешь какой мотоцикл мощнее и ты – король. Только вот не все так просто.

Что важнее: большой крутящий момент или высокая мощность? Спросите как-нибудь за кружкой пива у друзей. И вы услышите тысячу рассуждений на эту тему, но так и не доберетесь до истины. Сразу скажу, что вопрос поставлен некорректно. Во-первых, важнее для чего? А во-вторых, если понимать, что мощность двигателя – это величина момента, умноженная на обороты, то выяснять, что из них важнее, с точки зрения математики, вообще глупо. А с житейской точки зрения (не математической) все ощущают разницу между двумя двигателями одинаковой мощности. 100 л.с. у чоппера и такая же мощность у спортбайка воспринимаются абсолютно по разному. Более того, абсолютно по-разному воспринимаются два супербыстрых мотоцикла, например, Suzuki GSXR 1300 и Yamaha R1. Любой мотоциклист, протестировав оба байка, скажет, что Hayabusa – это ураган, что она значительно мощнее! Если же загнать их на стенд, то окажется, что они имеют примерно одинаковую максимальную мощность. Это подтверждается и очным заездом на длинной прямой: мотоциклы разгоняются примерно одинаково. Хотя чувства говорят, что Hayabusa однозначно мощнее. Какая же физическая характеристика точно характеризует наше чувственное восприятие «мощности» мотора? Вот тут то все и вспоминают про «момент». И загадочно упоминают: «так у Hayabusa момент какой!». Да, значение максимального крутящего момента у GSXR1300 действительно на 30% больше, чем у R1. И мы это ощущаем, как более «мощный» мотор. А почему «Буса» тогда не обгоняет R1 в очном заезде? Куда же девается преимущество момента в 30%?

Рисунок 1: 1 – пар, 2 – поршень, 3 – шатун, 4 – кривошип, 5 – колесо. L – длина кривошипа.


Давайте попробуем разобраться и в этом. Еще когда не было ни мотоциклов, ни автомобилей, был паровоз. У него поршень через шатун вращал колесо. Это самый наглядный пример для понимания, откуда берется и что он такое, этот крутящий момент (Рис. 1). Расширяющиеся газы давят на поршень, поршень через шатун давит на кривошип. В результате, имеем силу давления поршня, приложенную к ведущему колесу через плечо. Физическая величина, момент силы (крутящий момент), есть произведение силы на плечо, к которому она приложена. И именно, крутящий момент на колесе, поделенный на радиус колеса, дает нам значение силы тяги. Сила тяги (за вычетом противодействующих сил трения) и есть та самая сила, которая, воздействуя на тело (мотоцикл с пилотом), обеспечивает ему ускорение. Так сказал Ньютон в своем втором законе! Для того, что бы ускорение было больше, нужно либо увеличить силу тяги, либо уменьшить вес тела. Подробно об уменьшении веса тела можно прочесть в женских журналах. Мы же подумаем об увеличении силы. Глядя на схему кривошипно-шатунного механизма, нетрудно найти пути увеличения крутящего момента. Вариант первый: увеличить длину кривошипа (L). Крутящий момент возрастет. При этом возрастет и рабочий объем двигателя, так как увеличится ход поршня. Второй путь: каким-то образом увеличить силу давления поршня. Можно увеличить площадь поршня, крутящий момент возрастет, но опять же возрастет рабочий объем двигателя. Как видим, крутящий момент неразрывно связан с рабочим объемом двигателя. Для получения большего крутящего момента без изменения рабочего объема двигателя остается последний вариант: увеличить давление газов на поршень. Для этого нужно улучшить наполнение цилиндра свежей смесью (изменить впуск/выпуск) или увеличить начальное давление в цилиндре (степень сжатия). Можно поступить радикальней и установить наддув. Но в рамках сегодняшней темы мы не будем рассматривать пути форсирования моторов.

А что же такое тогда мощность, и зачем она нам нужна, как характеристика двигателя, если ускорение обеспечивается моментом? Мощность характеризует работу, выполняемую за единицу времени. И чем выше мощность, тем больше работу можно выполнить. Какую работу? Например, по подъему мотоцикла на гору. Быстрее заедет тот, у кого мощность выше. Тут из курса физики известно, что мощность Р = МОМЕНТ СИЛЫ*УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ, то есть, крутящий момент умноженный на обороты. Для тех, кто соберется пересчитать мощность по этой формуле: не забывайте все величины поставить в системе «Си» – мощность в ваттах, момент – в Ньютонметрах, угловую скорость – в радианах в секунду. Если с радианами в секунду сложно, то можно и в привычных оборотах в минуту. Для вычисления мощности в киловаттах можно вывести формулу Р=МНм *обороты в мин/9549.

Пример. Мотор выдает 100 Нм момента при 10000 об/мин, его мощность в киловаттах 100*10000/9549=104,7 (кВт). Типичный мотор литрового спортбайка. Для желающих перевести киловатты в лошадиные силы: 1кВт=1,36 л.с.






Если проанализировать эту формулу, то получается, что чем выше обороты, при которых достигается максимальный момент, тем выше мощность двигателя. При этом покупатели очень ценят, чтобы момент достигался на низких оборотах, а производители очень стараются построить такие двигатели. Парадокс? Нет. На двигателе, у которого достаточно высокий момент присутствует на при низких оборотах, удобнее ездить. Не гонять наперегонки, а именно ездить. Возьмем, к примеру, графики мощности, замеренные на стенде двух совершенно различных мотоциклов: Kawasaki VN2000 (крутящий момент 170 Нм при 3000 об/мин) и R6 (60 Нм при 11800 об/мин). (График 1). Максимальная мощность у них почти одинакова. Представьте себе: едут спокойно два друга на двух таких мотоциклах. Непонятно, конечно, как они подружились столь разные, но едут. При неспешной езде соответственно невысоки обороты двигателя: 2000 у «Вулкана» и 4000 у R6. И вдруг, нужно ускориться! Оба открывают газ и чоппер легко уезжает от спортбайка. Не верите – проверьте. Посмотрите на график. При 2000 об/мин у «большого» мотора – 45 л.с., а при 4000 у «шестисотки» – всего 20 л.с. Через мгновение, когда Vulcan наберет еще 1500 об/мин и раскрутится до 3500, его двигатель будет выдавать уже 85 л.с. Спортбайк же, набрав обороты с 4000 до 8000, сможет использовать только 45 л.с. Что сделает водитель спорта в такой ситуации? Переключится на одну-две передачи вниз, мотор взвизгнет на 12000 об/мин и в распоряжении пилота будут уже 90-100 лошадей. Безусловно, он догонит тяжелый чоппер. Только кому ускоряться удобнее? Один просто «газует» в диапазоне 2-3-х тысяч, а другой использует 2-3 передачи и диапазон оборотов от 4-х до 12-ти тысяч. Так что секрета или парадокса нет никакого: если в данный момент времени, при данных оборотах крутящий момент у какого-то двигателя выше, то и доступная мощность у него выше. А значение максимальной мощности – это всего лишь одна точка на графике, которая реально говорит очень мало, а характеризует всего лишь показатель максимальной скорости в строках ТТХ. И производители мотоциклов этим пользуются. Да еще и привирают слегка. Какой самый мощный спортбайк из «шестисоток»? По заявленной мощности – это Yamaha R6.

Давайте для наглядности сравним графики мощности двух спортбайков, например, Yamaha R6 ‘07 и Honda CBR600RR ‘07 (График 2). После замеров на стенде я с удивлением обнаружил, что максимальная мощность на колесе у них примерно одинакова: 103-104 л.с., хотя заявленные значения следующие: 133 л.с. у Yamaha против 120-ти у Honda. Заявленная мощность снималась с коленвала, но почему у R6 до колеса дошло столько же, как и у CBR600RR? Похоже, что на Yamaha дописали лишний десяток сил «из маркетинговых соображений». Также, из маркетинговых соображений, в прессе рекламировали, что мотор крутится до 18000 об/мин, и даже тахометр показывает нечто подобное, однако реально снятые значения говорят об отсечке при 15800 об/мин, что всего на 500 об/мин больше, чем у Honda. Если внимательно проанализировать графики мощности, то они совпадут с субъективными ощущениями. R6 до 10000 «не едет»! Во всем диапазоне от 3-х тысяч и до максимальных оборотов Honda имеет преимущество в 5-10 л.с. И только при чисто гоночной езде в диапазоне 12-15 тысяч они имеют приблизительно равные возможности. Если быть до конца честным, то двигатель Yamaha R6 с двумя провалами (на 7-ми и 12-ти тысячах) никак нельзя считать лидером в своем классе.





Другой пример правильного маркетинга. KTM RC8 так стремились сделать самый мощный мотоцикл в классе, что по заявленной мощности обогнали DUCATI 1098. (График 3). Справедливости ради следует отметить, что по максимальной мощности таки обогнали. Но если сравнить всю характеристику двигателя, а не только одну точку, соответствующую максимальному значению, то можно обнаружить что DUCATI мощнее всегда. Когда бы вы не повернули газ: на 5-ти или на 8-ми тысячах оборотов, у DUCATI крутящий момент (а, соответственно, и мощность) будут выше, и только лишь в диапазоне 9900-10200 об/мин у КТМ есть преимущество. Формально КТМ не лукавит: максимальная мощность у него выше, но реально во всем диапазоне оборотов он слабее. Сможете ли вы ехать все время, держа обороты в диапазоне 9900-10200, чтобы реализовать такое преимущество? Думаю, вряд ли.

Ну, и напоследок, еще одно спортивное преимущество более высоко оборотистого мотора. Представьте себе, что есть два мотоцикла приблизительно равной мощности: Suzuki GSX-R1000 ’04 и YAMAHA R1 ’04. (График 4). Если сравнить графики мощности, то видно, что на низких и средних оборотах преимущество у GSX-R1000. И это подтверждается субъективными ощущениями. Однако если подобрать звезды на мотоциклах так, чтобы при одинаковых оборотах у них была одинаковая скорость, то получим два графика: зависимости мощности от оборотов и от скорости, в одном. О чем он нам говорит? Если разгоняться с 200 км/ч, то мощность у мотоциклов будет одинаковая и ускорение одинаковое, однако при достижении 235 км/ч на Suzuki придется включить следующую передачу, а Yamaha продолжит разгон, не переключаясь до 260-ти км/ч. Естественно, переход на высшую передачу уменьшает реальный крутящий момент на колесе и ускорение будет ниже. Правильный подбор передаточных чисел для полной реализации мощности двигателя – это так же важно, как и сама мощность. Но про правильный подбор передаточных чисел – это отдельная тема…

Текст: Валерий Гарбарук
Иллюстрации: предоставлены автором
motodrive.com.ua