Удобно рассматривать любой поршневой двигатель, разделив его на две части. Нижняя часть — блок цилиндров плюс «вращающийся узел», образованный коленчатым валом, шатунами и поршнями, и который принято называть кривошипно-шатунным механизмом (КШМ). Верхняя часть включает головку цилиндров, клапаны и систему, которая приводит их в действие. Работа блока и КШМ заключается в преобразовании давления, созданного сгорающим топливом, в механическую работу, которая передается к колесам через сцепление или (в автоматических трансмиссиях) через гидротрансформатор. Задача головки блока и клапанов заключается в подаче воздуха и топлива в двигатель, зажигании их в нужном месте и в нужное время и, наконец, в удалении сгоревших газов.


На первый взгляд это довольно простая задача, и до некоторой степени это так. Несколько сложнее становится, когда сталкиваешься с фактом, что термин «механическая работа» связан с двумя различными понятиями: мощность и крутящий момент. Отношение между этими двумя понятиями часто истолковывается неправильно. Если быть более точным (или циничным), то большинство людей думает, что они понимают мощность, но очень немногие понимают, что такое крутящий момент. Пожалуй, наступило самое время разобраться в этом вопросе.


Момент обычно определяется как средний «толчок», создаваемый двигателем. Так как двигатель осуществляет работу, поворачивая коленчатый вал, мы обычно рассматриваем крутящий момент как силу, приложенную на определенном расстоянии. Современная единица для измерения крутящего момента — ньютонометр (Нм) — сила значением в один ньютон (который определяется как сила, необходимая, чтобы ускорить массу в один килограмм на расстоянии в один метр с ускорением один метр в секунду за секунду), действующий на конец рычага длиной в один метр.


Крутящий момент в основном зависит от средней величины давления, которое толкает поршень во время рабочего хода, времени, в течение которого воздействует давление, площади поршня и его хода, определяемого радиусом кривошипа коленчатого вала. Его значение также зависит более или менее непосредственно от степени сжатия двигателя. Кроме того, он также зависит в некоторой степени и от других параметров, таких как: время открытия и закрытия клапанов и частоты вращения вала двигателя. Когда двигатель работает на высоких оборотах, остается меньше времени для того, чтобы давление воздействовало на поршень. Вот почему максимальное значение крутящего момента развивается на оборотах вала двигателя, равных примерно одной третьей или половине от максимального значения.


Мощность — степень, с которой двигатель работает. В более известной терминологии, знакомой каждому, кто относился серьезно к изучению математики и физики в школе, работа равна силе, времени и расстоянию, и мощность, таким образом, равна силе, времени и расстоянию, деленным на время. Но расстояние, деленное на время, — это скорость, тогда мощность будет равна силе (применительно к двигателю — крутящему моменту), умноженной на скорость (в нашем случае на угловую скорость вращения вала). Итак, частота вращения оказывает влияние как на мощность, так и на крутящий момент, тогда почему мы рассматриваем эти параметры раздельно?


Один из способов разобраться в этом вопросе — это начать с единиц измерения мощности. Намного раньше, в XVIII веке, инженеры придумали удобную единицу измерения выходных параметров паровых двигателей. Это было количество работы, на которую была способна обычная лошадь, особенно когда добытый в шахте уголь поднимался с помощью шкива из ствола шахты. За лошадиную силу было принято значение 550 фунтов на фут за секунду; другими словами, средняя лошадь могла поднять из шахты (теоретически) 550 фунтов угля со скоростью один фут в секунду. Фактически, для того чтобы сделать это, нужна необыкновенно сильная лошадь, потому что 550 фунтов это очень много. Подъем 55 фунтов со скоростью 10 футов в секунду, что примерно равно скорости 7 миль в час, или 11 км/ч, больше подходит для лошади средних размеров, однако, хотя скорости различаются, мощность, затрачиваемая при этом, та же самая. Но большая лошадь движется очень медленно и не спеша, в то время как маленькая несется быстро.


Кстати, эта очень важная цифра 550 фунтов на фут в секунду оставалась стандартной единицей измерет ния мощности в имперской системе измерений до тех пор, пока она не была переведена в метрическую; она называлась тормозной лошадиной силой (т.л.с.), другими словами, мощность измерялась с помощью тормоза, который нагружал выходной вал двигателя до тех пор, пока обороты вала двигателя не становились постоянными. Стандартной метрической единицей измерения мощности является киловатт (кВт), который несколько больше, чем 1 лошадиная сила (л.с.). Для того чтобы перевести киловатты в лошадиную силу, нужно умножить их значение на 1,34.


Если вернуться к реальному автомобилю, то мощность, преодолевающая аэродинамическое сопротивление, определяет максимальную скорость автомобиля, в то время как крутящий момент преодолевает вес автомобиля (с учетом влияния передач в трансмиссии) и, таким образом, определят ускорение автомобиля. Поэтому кажется странным, что большинство водителей, считая, что ускорение автомобиля важнее, чем максимальная скорость, уделяют столько внимания значениям мощности автомобиля, не обращая внимания на показатели крутящего момента.


Баланс между крутящим моментом и мощностью жизненно важен в существующих двигателях внутреннего сгорания, поскольку они развивают очень маленький момент на низких оборотах. Поэтому, для того чтобы тронуться и разогнаться, должна быть обеспечена возможность быстрого набора оборотов для достижения высоких значений крутящего момента, даже в том случае, если это приведет к быстрому достижению максимальных оборотов двигателя.


Таким образом, до того, как это случится, обороты должны быть снижены относительно скорости автомобиля. Это, конечно, является функцией коробки передач, которая будет подробно рассмотрена в части 2. Но о различии между мощностью и моментом необходимо помнить в течение всего времени изучения конструкции двигателя. Двигатель, разработанный для получения высокого значения крутящего момента, развивает максимальный крутящий момент при относительно низких оборотах коленчатого вала, примерно при 2500 об/мин, в то время как обороты, соответствующие максимальной мощности, составят 6000 об/мин, а максимальные обороты порядка 7000 об/мин всегда будут более «гибкими», «вытягивая» автомобиль с малых скоростей без необходимости переключения передач. Двигатель, предназначенный для получения высокой мощности, будет всегда обеспечивать лучшую работу транспортного средства, пока водитель захочет использовать коробку передач для получения оборотов двигателя, близких к значениям, соответствующим максимальной мощности. В этом случае будет гораздо легче «пыхтеть» на высших передачах при низкой скорости и не будет возможности резко ускоряться без переключения на одну или две передачи ниже. Такой двигатель может иметь максимальную мощность при тех же самых 6000 об/мин (мощность, правда, может быть и большей), но максимальный крутящий момент будет соответствовать, возможно, 4000 об/мин. При 2500 об/мин такой двигатель будет развивать гораздо меньший крутящий момент, чем «гибкий» двигатель.


Итак, нужен инженерный компромисс — или, по крайней мере, необходимо проектировать двигатель для определенной цели, специфической для конкретного водителя. Можно спроектировать очень «гибкий» двигатель с большим крутящим моментом при низких оборотах, а можно высокооборотный двигатель с относительно слабой работой на низких оборотах и необходимостью большого количества переключений передач; или вы можете выбрать нечто среднее между обоими вариантами. Как мы увидим позднее, в некоторых современных инженерных разработках начинают уменьшать необходимость компромисса. При этом дают возможность конструкторам сочетать преимущества обоих вариантов, но основное противоречие между мощностью и крутящим моментом остается, наряду с механизмами регулировки соотношения между ними тем или другим способом.


Однако на практике существует только один способ для регулирования этого соотношения, потому что довольно легко увеличить максимальное значение мощности, развиваемой двигателем, но намного труднее увеличить момент (кроме как с помощью наддува). Это связано с тем, что мощность, развиваемая двигателем, зависит прежде всего от количества топлива, которое он может сжечь, а это, в свою очередь, зависит от того, как быстро двигатель может засасывать воздух и удалять выхлопной газ, что, в свою очередь, зависит от оборотов двигателя и размера каналов и клапанов, через которые проходит воздух и топливо. Представители гоночных команд «Формулы-1» утверждают, что, для того чтобы раскрутить коленчатый вал двигателя на дополнительную 1000 об/мин, необходимо затратить еще 50 л.е., если вы сможете убедить двигатель остаться одним целым агрегатом. С другой стороны, крутящий момент зависит от факторов, которые я уже упоминал ранее и которые в каждом конкретном двигателе фиксированы. Единственная вещь, которая может легко быть изменена, — это эффективное давление, на которое можно немного повлиять при конструировании деталей двигателя. Несколько большего можно добиться, изменяя моменты открытия и закрытия клапанов или увеличивая степень сжатия, и намного больше, закачивая воздух в двигатель под положительным давлением, другими словами, наддувом.


Конечно, вам может не понадобиться так много крутящего момента, была бы гарантия, что двигатель развивает достаточно мощности и у вас есть много передач и вам нравиться их переключать. Но большинство обычных автомобилей имеют только пять передач для движения вперед, и большинство обычных водителей очень быстро устают при переходе на низшие передачи на каждом подъеме, каждом повороте и каждом обгоне. Для приемлемого выполнения работы любой автомобиль нуждается в некоторой определенной величине крутящего момента (фактически, в определенном соотношении крутящего момента к весу). Технические характеристики различных автомобилей могут различаться между собой, однако в конкретном случае крутящий момент в основном определяется размерами двигателя и для большинства двигателей, за исключением современных наддувных двигателей, редко превышает значение больше 100 Нм на литр объема.