ПОЧЕМУ МОТОРЫ НЕ КРУТЯТСЯ до 15000 об/мин ?

Это один из тех вопросов, который вроде бы простой, но когда начинаешь копать, вылезает столько физики, материаловедения и чистого инженерного компромисса, что диву даёшься.

Здарова, камрады

Знаете, меня давно мучает один вопрос. Вот я смотрю на мотоциклы всякие — там тахометр размечен до 14-15 тысяч, и он весело жужжит на этих оборотах. Смотрю гонки Формулы-1 (старые, V10) — там моторы выли на 18 000 оборотов! А потом сажусь в обычную машину, будь то Kia Rio или Октавию, и там на 6500 оборотах — отсечка. Всё, дальше — стена. Мотор ревёт так, будто сейчас выпрыгнет из-под капота.

И вот я сижу и думаю: а почему? Что это за заговор такой? Почему инженеры, которые могут строить гоночные моторы, так «душат» наши, гражданские? Они что, специально не дают нам мощности, экономят на чём-то? Или есть какая-то фундаментальная, физическая причина, почему мой семейный седан не может крутиться, как спортбайк? Давайте вместе разберёмся.

Глава 1: Невидимая стена. Средняя скорость поршня

Первое, и самое главное, во что мы упираемся — это не скорость вращения валов, а скорость движения поршня. Это ключевой момент, который нужно понять.

Что происходит внутри? Поршень в цилиндре совершает дикое возвратно-поступательное движение: разгоняется от нуля до пиковой скорости, тормозит до нуля, и так тысячи раз в минуту. Средняя скорость его движения — это один из важнейших параметров, заложенных в конструкцию мотора. Есть даже эмпирический предел для обычных материалов — примерно 20-25 м/с. Быстрее — и нагрузки на детали становятся запредельными.

Давайте посчитаем. У среднего гражданского мотора ход поршня — около 90 мм (0.09 м).

На 6500 об/мин его средняя скорость — 19.5 м/с. Уже близко к пределу.

А теперь представим, что мы раскрутили его до 15 000 об/мин. Скорость поршня составит 45 м/с или 162 км/ч! Вы только вдумайтесь: деталь внутри мотора мотается вверх-вниз со скоростью летящего по трассе автомобиля. Нагрузки на шатун и коленвал становятся такими, что металл просто не выдерживает.

А как же Формула-1? У них ход поршня — крошечный, около 40 мм. Поэтому даже на 18 000 об/мин средняя скорость поршня у них была в районе 24 м/с — то есть в том же «безопасном» диапазоне! Просто за один оборот коленвала их поршень пробегает вдвое меньший путь.

Глава 2: Восстание клапанов. Что такое «зависание»?

Хорошо, допустим, мы сделали короткоходный мотор. Следующая проблема — клапаны. Клапан открывается кулачком распредвала, а закрывается — силой пружины.

Что происходит на высоких оборотах? Распредвал вращается так быстро, что пружина просто не успевает вернуть клапан на место, в седло. Кулачок уже ушёл, а клапан по инерции ещё летит вверх. Это и называется «зависание клапанов».

Чем это грозит? Ебёныч, это самое страшное! В лучшем случае — прорыв газов, потеря компрессии и мощности. В худшем — поршень, который летит вверх, догоняет ещё не закрывшийся клапан. Результат — загнутые клапаны, пробитый поршень и капитальный ремонт двигателя.

Как с этим борются? Ставят более жёсткие пружины. Но это увеличивает износ всего механизма ГРМ. В Ducati используют десмодромный привод (где клапан и открывается, и закрывается принудительно, без пружин). А в Формуле-1 пошли дальше — там пневматические клапанные пружины. Вместо стальной пружины клапан возвращает сжатый воздух. Это дико сложная и дорогая технология.

Глава 3: «Астма» двигателя. Проблема дыхания

Представим, что мы решили и проблему с клапанами. Теперь мотор должен дышать. На 15 000 об/мин такт впуска длится всего 2 миллисекунды! За это крошечное мгновение цилиндр должен успеть полностью наполниться топливо-воздушной смесью.

Что происходит? Воздух — не пустота, у него есть масса и инерция. Он просто не успевает протиснуться через впускные каналы и клапаны. Эффективность наполнения (так называемый объёмный КПД) резко падает. Мотор начинает «задыхаться». Он вроде бы крутится быстро, но толку от этого нет — гореть-то нечему. Это всё равно что пытаться дышать через тонкую соломинку во время спринта.

Именно на таких сложных и дорогих узлах, как высокооборотные моторы, и строятся главные риски при покупке б/у спорткара. Если прошлый владелец постоянно «крутил в отсечку», износ там может быть колоссальным, хотя внешне всё будет в порядке. На мой взгляд, покупать такую машину без эндоскопа и полной диагностики — лотерея.

Глава 4: Великий компромисс. Момент против оборотов

А теперь — самое главное, что нужно понять про гражданский мотор. Нам с вами не нужна пиковая мощность на 15 000 оборотов. Нам нужна тяга на низких и средних оборотах, чтобы комфортно трогаться со светофора и ускоряться в потоке.

Тяга — это крутящий момент. А он напрямую зависит от длины хода поршня. Чем больше ход (рычаг, на который давит поршень), тем больше момент.
Высокооборотные моторы — всегда короткоходные. У них маленький рычаг, а значит, и мало момента на «низах». Чтобы такая машина поехала, её нужно постоянно «крутить».

Представляете себе езду по городу, где для нормального старта нужно раскручивать мотор до 8000 оборотов? Это дико некомфортно, шумно и ведёт к чудовищному расходу топлива. Инженеры сознательно делают наши моторы длинноходными или «квадратными» (ход равен диаметру), чтобы дать нам тот самый «паровозный» момент на 2000-4000 оборотах, где мы и ездим 99% времени. Если вы конечно не ошалелый

Глава 5: Мои мысли об этом. Не заговор, а здравый смысл

Так что же, заговор? Нет. Когда я во всём этом разобрался, я понял — это просто здравый смысл и компромисс. Сделать мотор, который будет крутиться до 15 000, можно. Но он будет:

Дико дорогим: Потребуются экзотические материалы (титан, магниевые сплавы), сложнейший ГРМ, прецизионная сборка.
Ненадёжным: Ресурс такого мотора будет исчисляться десятками часов, а не сотнями тысяч километров.
Непригодным для жизни: У него не будет тяги на низких оборотах.
Прожорливым: Потери на трение на таких скоростях огромны

У машины, в отличие от мотоцикла другие задачи — у нее больше масса, больше колес, больше двигатель, она эксплцатируется зимой в более тяжелых условиях, перевозит больше людей и груза и больше пробеги.

Поэтому тот предел в 6-8 тысяч оборотов — это не «ошейник». Это оптимальный баланс между мощностью, моментом, ресурсом, ценой и комфортом, который инженеры нащупали за сто лет эволюции ДВС. И, как по мне, это очень разумный баланс.