Мощность или момент?

В предыдущей статье был поднят вопрос выбора между дизельным и бензиновым двигателем. Теперь настал черед объяснить, что означают две самые громкие характеристики двигателя: мощность и крутящий момент.

Неопытные покупатели скорее всего даже не слышали про термин «крутящий момент», и автопроизводители делают акцент на максимальной мощности мотора, для того что бы продавать свои изделия. Знающие люди активно продвигают правило: «Лошадиные силы продают автомобили, а везет крутящий момент».

Разберемся, кто же прав.

Физика.

Вспомним школьный курс физики. Нет поводов для волнения, в статье будет всего пара коротеньких  формул.

Формулы для силы и мощности:

F=m*a, где F — сила, m — масса, а — ускорение.
N=F*V где N — мощность, F — сила, V — скорость.

отсюда N=m*a*V.

Проверим формулу на данных реального автомобиля:

• Марка, модель: BMW M5 F10;
• Максимальная мощность двигателя: 560 лс. (412 кВт.);
• Разгон от 0-100 км/ч.: 4,3 c.;
• Снаряженная масса: 1945 кг.

Что бы разогнать автомобиль массой 1945 кг. до 100 км/ч (27,778 м/с ) за 4,3 секунды (ускорение равно 27,778/4,3=6,46 м/с2) нам потребуется мощность: 1945*6,46*27,778=358,9 кВт. или 487,9 лс. Однако это мощность на колесах, тоесть к ней необходимо прибавить около 10% для получения мощности на маховике, что бы учесть потери в трансмиссии и навесном оборудовании. Получаем расчетную мощность 536,7 лс. Из-за непостоянства крутящего момента, а так же времени переключения передач  и сопротивления воздуха фактическая максимальная мощность должна быть выше расчетной, но в целом, рассчитанное значение выглядит правдоподобно, отклонение менее 5%.

Для атмосферного автомобиля ваз 2112 мощностью 90 лс. время разгона по расчетам составляет 13,5 секунд, что вполне соответствует роликам на youtube.com.

После долгого анализа формул делаем вывод: ускорение на конкретных оборотах зависит от крутящего момента. Максимальная мощность — обобщенный показатель способности автомобиля ускоряться до конкретной скорости за определенное время или набирать заданную максимальную скорость.

Есть ли польза от формулы на практике?

Предположим, что мы выбираем себе автомобиль. Вариант А: BMW 1M, Двигатель 3 литра, 450 Нм, 340 лс.
Вариант B: BMW M135, двигатель 3 литра, 450 Нм, 326 лс.

Максимальный крутящий момент одинаков, а вот мощность различается. Неискушенный покупатель скажет, что Вариант А должен разгоняться быстрее.

Рис. 1. Графики мощности и момента BMW 1M, BMW M135, BMW 135i. Источник: http://wiki.zr.ru/Мощность_момент

Посмотрим на график мощности и момента этих двигателей с сайта http://www.nauka-avto.ru/

Два верхних графика (почти совпадающих) соответствуют нашим вариантам. Вариант А выигрывает только за счет незначительного увеличения момента (и следовательно мощности) в диапазоне 5250-6750 об/минуту. Конечно при одинаковых коробках передач, массе, резине и тд. вариант А будет разгоняться быстрее, но крутящий момент выше лишь в очень узком диапазоне оборотов и следовательно ощутить эффект можно только поддерживая обороты близко к красной зоне.

Но если максимальная мощность достигается в диапазоне выше 5000 об/мин, то как автомобиль ускоряется до 100 км/ч практически за расчетное время, если в формуле значение мощности постоянно, а у автомобиля оно колеблется в очень больших пределах?

Все дело в том, что при разгоне двигатель работает на низких и средних оборотах очень короткий промежуток времени. Из-за пробуксовки колес, проскальзывания дисков сцепления, или дисков в гидротрансформаторе, использования систем launch control  автомобиль может трогаться и с оборотами 3000-4000 об/мин. Конечно, это ведет к уменьшению КПД трансмиссии, но рост мощности за счет оборотов компенсирует снижение КПД.

Получается, что неискушенный покупатель был прав и для стартов со светофора больше подходит автомобиль с большей мощностью, пусть даже она доступна только в малом диапазоне оборотов.

Но фактически Вариант В имеет меньшее время разгона от 0-100 км/ч за счет 8-ми ступенчатой роботизированной коробки передач, против механической 6-ти ступенчатой у BMW 1M. Дополнительные ступени дольше поддерживают двигатель в оптимальном диапазоне оборотов и высокая скорость переключений экономит время. Современная роботизированная коробка передач эквивалентна 10% увеличению мощности по сравнению с механической коробкой передач.

К сожалению в повседневной жизни старты со светофора — бесполезное занятие. Для правильного выбора автомобиля, удовлетворяющего Вашим нуждам необходимо оценить не только значения крутящего момента и максимальной мощности, но и диапазоны в которых эти значения достигаются, а так же тип трансмиссии.

Но не стоит забывать, что отклик на педаль газа и крутящий момент вещи не связанные, вопреки расхожему мнению.

Максимальный крутящий момент измеряется при полной нагрузке — педаль газа «в пол». А отклик на нажатие педали в первую очередь зависит от типа двигателя, наличия турбин или компрессора, оборотов, настроек электронных систем, настроек коробки передач. Например современные блоки управления настроены делать педаль газа более «задумчивой» для экономии топлива и соответствия нормам выбросов, но мощность и момент у таких автомобилей выше. А отклик на педаль газа на спортивном атмосферном двигателе с хорошо настроенным карбюратором, по словам очевидцев, уступает только электрокарам, при этом крутящий момент и мощность у таких моторов в разы ниже, чем у турбированных конкурентов.

P.S. По расчетам получилось, что у BMW M135 время разгона не может превышать 5,3 с . (факт — 5,8), при заявленных 4,7 с., а у BMW 1M разгон не может превышать 5,1 с. при заявленных 4,9 с. Еще более интересная ситуация с Nissan GT-R — для разгона за 2,8 с., указанные в характеристиках, его мощность должна составлять около 700 л.с., но мотор выдает не более 550 л.с. Фактическое время около 3,5-3,8 секунд — совпадает с расчетным.

К расчетным показателям времени или мощности необходимо прибавлять не только 10% для компенсации потерь в трансмисии, но и еще 10% для учета непостоянства момента, времени переключения передач, сцепления с дорогой и сопростивление воздуха. Таким образом максимальная мощность и время разгона 0-100 км/ч не слишком показательны при сравнении различных автомобилей.

Перечень уловок на которые идут автопроизводители, что бы улучшить показатели, оставим для другого раза.

Обороты.

Обратимся снова к графику крутящего момента. Если рассматривать только одну передачу, то ускорение будет выше тогда, когда больше крутящий момент. Для всех  «гражданских» моторов (включая атмосферные, турбированные и компрессорные) крутящий момент выше на средних оборотах, так как настройка систем двигателя позволяет смеси сгорать оптимально именно на них.

Но если ускорение максимально на средних оборотах, то зачем раскручивать двигатель до «красной зоны» при разгоне?

Рис. 2. Так зависит крутящий момент (М1….М5) или тяговая сила (Fтяг 1 …Fтяг 5) на ведущей оси от включенной передачи. Источник: http://wiki.zr.ru/Мощность_момент

Коробка передач устроена таким образом, что бы скорость вращения колес изменяющаяся в очень широких пределах, соответствовала скорости вращения коленчатого вала двигателя, который изменяется в более узких пределах. Чем больше максимальная скорость на данной передаче, тем ниже передаваемый крутящий момент. Данная пропорция является линейной. При увеличении скорости вращения колес в такой же пропорции уменьшается крутящий момент за счет изменения передаточных чисел в коробке передач.

На графике хорошо видно, что  максимальный момент достигается при использовании низших передач, при этом падение момента (и динамики разгона) с ростом оборотов гораздо меньше падения от смены передачи.  Поэтому для максимального разгона необходимо поддерживать максимальные обороты.

Исключение составляет только последняя передача автомобиля. Независимо от количества передач и типа коробки последняя передача проектируется для экономии топлива, а максимальная скорость, зачастую, достигается  на предпоследней передаче.

Для тех, кто осилил дам еще одну интересную формулу: мощность автомобиля в лс. равна обороты двигателя умножить на крутящий момент в н/м на данных оборотах и разделить на 7027,22.

N=W*M/7027,22

Коэффициент 7027,22 включает в себя коэффициенты перевода Вт. в лс., а так же крутящего момента в силу и тд.

[Источники: ЗаРулем, НаукаАвто, BMW]