Попробуем понять что такое момент и мощность, чем они отличаются, как они связаны, в чем измеряются. Выведем формулу соотношения мощности и момента. Сравним дизель с бензиновым двигателем. Выясним что в Nascar нужен момент, а в Formula 1 мощность. Рассмотрим графики характеристик идеального и нескольких реальных двигателей. Но для начала вспомним что из себя представляют по определению момент и мощность.

По науке

Для совершения работы нужно приложить силу. Например, для перемещения объекта на какое-то расстояние необходимо приложить силу, тем самым совершив работу по перемещению этого объекта. Сила это производная от работы по расстоянию. (В общем случае — производная это скорость изменения функции)

Работу можно выполнить за разное время, можно быстро, а можно медленно. Для характеристики времени выполнения работы вводят понятие мощности. Другими словами мощность характеризует скорость совершения работы. Чем быстрее выполняется работа, тем больше мощности нужно затрачивать. Мощность это производная от работы по времени.

Итак, когда сила применяется для линейного перемещения тела на расстояние это называют работой. Но, например, для вращения вала тоже нужно прикладывать силу, но линейного перемещения при этом не происходит. Такое перемещение называют угловым (поворот вала), а такую работу называют (вращающим или крутящим) моментом. То есть сила, приложенная к валу и вращающая его совершает работу. Момент это работа по вращению вала.

Применительно к ДВС

В ДВС воздушно-топливная смесь сгорающая в камере сгорания давит на пошнень с определенной силой и поршень вращает коленвал, создавая на нем крутящий момент. При этом коленвал вращается с определенной (угловой) скоростью. Развиваемая при этом мощность двигателя будет произведением момента на число оборотов (за единицу времени). Для увеличения мощности нужно увеличивать момент или увеличивать скорость вращения коленвала. Для увеличения момента нужно прикладывать больше силы к поршню, то есть сжигать больше топлива, но ведь мы итак работаем на оптимальном составе воздушно-топливной смеси и ее обогащение не даст улучшения. Но мы можем поджигать смесь чаще, увеличивая количество оборотов. Выходит что пик мощности всегда будет на высоких оборотах, пока он не упрется в конструктивные ограничения (зависание клапанов, слишком большие инерционные потери и т. д.). Повышение максимальных оборотов это один из способов достижения высокой мощности двигателя.

Что же лучше момент или мощность?

С одной стороны крутит именно момент. Так почему же, например, трактор, имея ошеломительный момент на колесах, совсем не валит? Дело в том, что момент можно легко изменять. Мы каждый день это делаем переключая передачи трансмиссии (у некоторых они переключаются сами), передавая при этом разный момент на колеса при неизменном моменте на валу двигателя. А что при этом происходит с мощностью? В силу того что мощность это произведение момента на угловую скорость, то мощность остается неизменной, ведь угловая скорость падает прямо пропорционально росту крутящего момента.

В итоге получается, чтобы совершить работу по перемещению автомобиля массой m из точки А в точку Б нужен достаточный момент (для преодоления сил трения и сопротивления качению), чтобы делать это быстро нужна мощность.

В чем измеряют

Хотя обычно принято мощность считать в ваттах, автомобилисты исторически используют [лошадиную силу], которая примерно равна 735 ваттам. То есть мощность двигателя в 100 л. с. соответствует 73,5 КВт, а двигатель заряженного авто с мощностью свыше 1000 л.с. соответствует почти одному МегаВатту.

Как соотносятся

Итак, формула для мощности: P = M • w, где P — мощность [Вт], M — момент [Н•м], w — угловая скорость [рад/с]. Приведя угловую скорость к оборотам в минуту получаем: RPM = 60 * w. Помня что лошадиная сила это 735 Вт, получаем соотношение для мощности в лошадиных силах:
Pл.с. = M • RPM / 7018
Отметим, что на 7018 оборотах в минуту мощность и момент численно совпадают. Зная мощность можно определить момент и наоборот.

Графики характеристик

Для измерения характеристик двигателя используют динамометрический стенд. Хотя вернее будет сказать что он замеряет момент, а мощность высчитывают по приведенной выше формуле. В идеале двигатель должен иметь постоянный во всем диапазоне момент и, соответственно, линейно растущую мощность.



В реальных же условиях на малых оборотах наполняемость цилиндров не большая из-за малого разряжения, а на больших оборотах сказываются другие проблемы. Посмотрим на характеристики двигателя Renault K7M (Logan).

Видно, что характеристика момента линейна лишь в небольшом диапазоне рабочих оборотов (этот диапазон называют полкой момента). Для увеличения полки момента используют различные решения. Для улучшения наполнения цилиндров применяют до пяти клапанов на цилиндр. На высоких оборотах кулачки распредвала настолько быстро открывают клапана, что пружины клапанов не успевают вернуть клапан в закрытое положение, говорят что клапана зависают. Для решения этой проблемы уменьшают массу клапанов, толкателей и пружин. Или, например, отказываются от пружин для закрытия клапанов (десмодромный механизм). В двигателях формулы 1 используют пневмопривод. Также на высоких оборотах клапана открываются на меньшее время, но при этом через двигатель приходится прогонять больший объем смеси. При этом оказывается полезным изменение фаз газораспределения и увеличение угла перекрытия впускных и выпускных клапанов для лучшей продувки цилиндров. Для этого служат системы типа VTEC, VVTI, Vanos и т.п. У каждого производителя они называются по-разному, но выполняют одну суть — смещают положение распредвалов относительно коленвала и относительно друг друга, позволяя изменять фазы газораспределения на нужных оборотах. Касательно нашего вопроса это позволяет увеличить момент на верхах, расширив полку момента.

Бензин или Дизель?

Бензин, как известно, имеет большую температуру горения и выделяет при этом больше энергии. Кроме того, дизельный двигатель имеет более ограниченный диапазон оборотов, стало быть большой мощности с дизеля не снять. Поэтому дизель оптимизирован под момент (длинные шатуны и большой ход поршня). А чтобы он хоть как-то ехал на него обычно устанавливают турбину, ведь дизель не имеет проблем с детонацией при увеличении степени сжатия. Приведу в пример характеристики двигателя Opel Z13DTH (Astra-H, Corsa-D) — это турбо-дизель с объемом 1.3 литра.



Двигатель имеет довольно малую мощность в 90 л.с. (на 4000 об/мин), но зато момент в 200 Нм. Тут будет уверенный подхват с низов, но малая максимальная скорость автомобиля (172 км/ч для Astra при 1250 кг массы). Малая мощность характеризуется резким падением момента на максимальных оборотах и, собственно, невысокими максимальными оборотами.

Nascar или Formula1?

Сравнение двигателей Nascar и Formula1 это сравнение момента и мощности. Сравним наскаровский V8 и формульный V8 (с 2006 до 2013 года) двигатели. Оба атмосферные, бензиновые. Объем двигателей различается более чем в два раза — 5.8 литров у Nascar против 2.4 литров у Formula1. Крутящий момент: Nascar — 706 (@7500) Н•м, Formula1 — 290 (@17000) Н•м. Однако максимальная мощность различается не столь существенно: 825 (@9000) и 755 (@19250) л.с. соответственно. За счет чего же формульный двигатель при более чем в два раза меньшем объеме выжимает сравнимую мощность? За счет максимальных оборотов. Формульный двигатель очень оборотистый — рабочие обороты доходят до 20000 оборотов в минуту, что позволяет ему имея малый момент иметь сравнительно большую мощность.

Максимальная мощность и максимальный момент

Что же означает максимальная мощность и когда она доступна.
Все наверняка знают какую максимальную мощность, которую выдает их двигатель. И при сравнении разных авто количество кобыл под капотом является если не основным, то весьма существенным фактором. Возьмем, к примеру, бензиновый двухлитровый двигатель от Mazda Skyactiv. Мотор имеет мощность 155 л.с., правда на 6000 оборотах в минуту.



А как часто вы раскручиваете мотор до таких оборотов? Каков при этом будет расход топлива? Взяв "городской" диапазон оборотов 3-4 тыс. об/мин, с этого мотора можно снять мощность от 75 до 110 л.с., что в полтора раза ниже максимальной. Зато в этот диапазон оборотов входит максимум момента. Получается, что максимальный момент в городском цикле реализуется гораздо чаще, чем максимальная мощность. Последняя понадобится если мы решим участвовать в гонках, ну или хотя-бы выедем на автобан без скоростных ограничений. Кстати, красная зона у этого мотора начинается с 6500 об/мин и характеризуется падением мощности и значительным провалом в моменте. Не говоря о вреде таких оборотов для двигателя, можно однозначно сказать что езда на таких оборотах крайне неэффективна.

Резюмируя

В итоге имеем, что мощность это производная от момента. Двигатель развивает момент, а мощность характеризует скорость вращения вала при выдаваемом моменте. Мощность показывает максимальную скорость, которую сможет развить автомобиль. Момент же показывает "тяговитость", т.е. характеризует способность двигателя "тянуть" автомобиль, и чтобы понять насколько быстро двигатель тянет машину, вводят понятие мощности.

Мощность и момент на колесах (часть 2)

Использованные материалы:
Характеристики ДВС Renault K7M
Сравнение Nascar и Formula 1
Mazda Skyactiv
Двигатель Opel Z13DTH