M & M

Статьи о мотоциклах напичканы фразами типа «подхват на верхах», «крутильный мотор», «огромный момент», «паровозная тяга» и прочими штампами мотожурналистики. Все это, понятное дело, относится к мощности и моменту – двум основным характеристикам двигателя. Попробуем разобраться, что же за ними стоит.

Для начала давайте вспомним кое-какие физические величины. У кого в школе по физике была пятерка, следующие абзацы может смело пропустить и переходить сразу к выводам. Итак:

Работа. Это произведение силы на перемещение. В системе СИ измеряется в джоулях, то есть в ньютонах на метр (H•м). Если вы поднимаете килограмовую гантелю на высоту один метр, то совешаете работу равную 9,8 джоулей (1кг•ускорение свободного падения•1м или 1килограмм-силы•1м).

Мощность. Это просто работа в единицу времени, грубо говоря скорость выполнения работы. Если вы эту гантелю поднимаете за 9,8 секунд, то совершаете работу в один Ватт (1 Ватт=1Дж/1с). Мощность двигателя в официальных иномарочных спецификациях измеряется в киловаттах (тысячах ватт), а у нас попросту в лошадиных силах. 1кВт=1,36л.с. или, что то же самое 1л.с.=0,735кВт. То есть в попугаях мы гораздо длиннее, и жалкие 87кВт голдвинговского мотора превращаются во вполне приличные 118л.с.

Момент силы. Это произведение силы, приложенной к рычагу, на длину этого самого рычага. То есть получается тот же самый H•м, но физический смысл величин разный, смотрите не перепутайте! В отечественном машиностроении применяется килограмм-сила на метр. Килограмм-сила – это просто вес тела массой в один килограмм, поэтому в ньютоны все переводится легко – умножаем на ускорение свободного падения и вот вам результат 1кгс=9,8H•м.

Представить момент довольно легко – если на край мостика (длиной 1м), с какого в деревне полоскают белье, сяду я (100кг с удочкой и бахилами), то создам момент в 100кгс•м (или 980H•м). Если же вместо меня сядет ребенок массой 15кг (с кепкой и чупа-чупсом), то создаст момент всего 15кгс•м или 147H•м. Для сравнения, момент двигателя Honda GoldWing составляет 167Н•м, BMW 525 – 245H•м, так что ребенок должен быть чуть постарше, а у Камаза – 1431H•м, тут даже я один не справлюсь, придется соседку позвать. Но есть и другой способ, а именно увеличить длину рычага. Если бы мостик был длиной 10 метров, то момент бы вырос в 10 раз, и с Камазом справился бы даже маленький ребенок (1470H•м).

Заметьте, никакого перемещения нет, все неподвижно, а момент силы уже есть. Представим теперь, что мостик закреплен на оси, и как только я на него сажусь, он начинает вращаться. Нет, плохой пример, я упаду в воду, и все закончится. Лучше представьте гаечный ключ, который отворачивает гайку. Длина ключа 1 метр, сила, которую вы прикладываете, составляет 117 Н (или 12 кгс), момент, соответственно 117 Н•м, на один полный оборот уходит 1 секунда. Какую же мощность вы развиваете? А очень просто – длина окружности 2•?•r, или в нашем примере 6,28 метра. Вы совершаете работу 117Н•6,28м=735 Дж. Поскольку работу эту вы совершаете за одну секунду, то мощность составляет 735 Ватт или 0,735 кВт или 1 л.с. Если же гайка закисла, то как бы вы сильно не устали, создавая момент, никакой физической работы вы не выполните и мощности не разовьете, они появляются только если есть перемещение.

Что же мы видим? А мы видим, что мощность пропорциональна моменту, то есть можно найти такой коэффициент, на который мы помножим момент и получим мощность. Обороты у двигателя внутреннего сгорания традиционно считаются за минуту, а не за секунду, поэтому формулу придется немного изменить.

Итак, мощность=момент•(обороты в минуту)•Х

То есть 1л.с.=117Нм•60(оборотов в минуту)•Х

То есть Х= 1/(117•60)=1/7020

Или мощность в л.с.=(момент в Н• м)•обороты в минуту/7020

На самом деле мы там в вычислениях наокругляли до целого, если посчитать поточнее, то коэффициент будет 7116, но если под рукой нет калькулятора, то можно грубо делить всё на 7000.

Если же вместо одной лошадиной силы мы подставим один киловатт, то для совершения работы в 1000 Джоулей за секунду нам понадобится сила 159Н, так что магический коэффициент Х получится равным 1/9540.

 

Глядя на формулу, можно сделать следующие выводы.

Вывод 1. При равных моментах высокооборотистый двигатель развивает бОльшую мощность (это про спортбайки), а при равной мощности низкооборотистый двигатель развивает больший момент (это уже про чопперы).

Поэтому по городу удобнее ездить на классике или чоппере, ведь чтобы добиться от мотора спортбайка приличной мощности, нужно поддерживать высокие обороты, то есть чаще переключаться и держать двигатель в зоне высоких оборотов. Зато на длинном и пустом прямике, когда мотор Харлея уже добрался до ограничителя на высшей передаче, какой-нибудь R1 только-только вошел во вкус и начинает выдавать свои запределельные киловатты.

Вывод 2. Мощность и момент взаимосвязаны, имея под рукой кривую мощности мы можем нарисовать кривую момента.

Давайте посмотрим на графики BMW R1200GS. При 5000 оборотах момент равен примерно 110 Н•м. Значит мощность должна быть 110•5000/9540=58 кВт, что мы и видим на графике мощности.

Если внимательно посмотреть на график, то можно заметить, что момент достигает своего максимума в 115 Н•м на 5750 оборотов в минуту, а потом начинает падать, мощность же продолжает расти. Дело в том, что уменьшение момента компенсируется увеличением оборотов, но это продолжается не вечно. На 7500 мощность достигает предельных 77 киловатт, момент становится слишком маленьким, и мощность, несмотря на большие обороты, тоже начинает уменьшаться.

Конечно, обороты нельзя увеличивать до бесконечности, рано или поздно наступит предел, обусловленный физическими особенностями конструкции двигателя, например, скоростью открытия и закрытия клапанов. Но почему же момент уменьшается, а не растет все время, вплоть до предельных оборотов? Потому что в дело вступают ограничения, налагаемые газовой динамикой, ведь двигатель внутренного сгорания сложен не только механически, это еще и сложнейшая газодинамическая система. Грубо говоря, мотор начинает задыхаться, ему просто не хватает воздуха.

Причем именно газодинамика определяет различия в конструкции низкооборотистых и высокооборотистых моторов. Например, знаменитый боксер, который BMW ставит на R1200GS, отличается от того, что ставится на RS или RT. У него более узкие впускные каналы, благодаря чему поток смеси движется быстрее и лучше наполняет цилиндр. Но с повышением оборотов их пропускной способности становится недостаточно, и двигатель начинает задыхаться. Спортивная же версия боксера имеет более широкие каналы и позволяет отодвинуть этот предел в зону более высоких оборотов, но за счет худшей наполняемости цилиндров на низких. По той же причине чопперу достаточно одного маленького впускного клапана на цилиндр, а спортбайку нужно две, а то и три огромные «тарелки».

Конечно, конструкторы пытаются обойти газодинамические ограничения. Например, фирменная ямаховская система EXUP позволяет изменять обороты, на которых в цилиндр приходит отраженная волна разряжения из выпускного тракта, она-то и помогает поршню «всасывать» смесь. Хонда использует опробованную на своих автомобилях систему VTEC, подключающую дополнительные впускные и выпускные клапаны при достижении определенных оборотов. А на Бритвах хондовские инженеры применяют сразу два устройства, одно из которых меняет параметры выпуска (HTEV), а другое, расположенное в корпусе воздушного фильтра – параметры впуска (AirBox Flapper Valve). Благодаря им Бритва имеет более ровную кривую момента, чем конкуренты, а значит более дружелюбна к водителю. Надеюсь со временем мы поговорим об этих ухищрениях поподробнее.