Большинство серийных автомобилей, пусть даже весьма заряженных, имеют отсечку где-то в районе 6-8 тысяч оборотов в минуту. При этом есть машины, которые уверенно перешагивают и 8, и 10, и даже 12 тысяч.
А двигатель Cosworth CA, который стоял на болидах Формулы-1, ещё в 2006-м первым в истории Гран-при достиг отметки в 20 000 оборотов прямо на трассе. Правда, на этом гонка за оборотами и закончилась.
Уже с 2007-го регламент начал душить моторы ограничениями, и сегодня формульные агрегаты на практике крутятся в диапазоне 12 000-15 000.
Взять хотя бы легендарную Honda S2000. Её первый мотор F20C с красной зоной на 9 000 оборотов стал визитной карточкой модели. Но когда японцы выпустили второе поколение с двигателем F22C1, отсечку опустили до 8 200.
Казалось бы, формула проста, чем выше обороты, тем больше мощность на выходе. Так почему же на серийных автомобилях до сих пор нет отсечки хотя бы на 12 000? На то есть ровно четыре причины.
Тахометр
Мало кто задумывается, а что на самом деле стоит за цифрами на тахометре. Коленчатый вал не вращается с постоянной скоростью. Когда стрелка замерла на 2 000 оборотов, это всего лишь среднее арифметическое, которое высчитывает электронный блок управления. На деле коленвал постоянно ускоряется и замедляется, причём несколько сотен раз в секунду.
Происходит вот что. В момент рабочего хода поршень бьёт по шатуну, а тот передаёт удар на шейку коленвала, и вал в этот миг резко ускоряется. Потом наступает фаза сжатия в соседнем цилиндре, вал упирается в сопротивление и чуть притормаживает. При этом он ещё и слегка скручивается, буквально на доли градуса. Каждый оборот, без перерыва.
С ростом оборотов эти рывки становятся всё жёстче, и тут нас ждёт первый подвох. Циклические напряжения копятся, металл устаёт, и рано или поздно это заканчивается трещинами и поломками раньше положенного срока.
Можно, конечно, попытаться решить проблему с деформацией коленвала, сделав его максимально коротким и жёстким. Но тогда неизбежно полезут проблемы в другом месте, в верхней части мотора, а конкретно с клапанами.
Клапаны
При 9 000 оборотов в минуту каждый клапан должен открыться и закрыться примерно 75 раз в сек. На таких скоростях возникают две крайности, и обе заканчиваются одинаково плохо.
Первая, это подвисание клапана. Кулачок распредвала толкает клапан внутрь цилиндра, а обратно его возвращает пружина. Но на бешеных оборотах клапан вдавливается с такой силой, что по инерции остаётся приоткрытым, даже когда кулачок уже ушёл.
Пружина не справляется. А вот поршень справится. Он встретит клапан на ходу, тот вылетит из тарелки, полетит в камеру сгорания, и дальше останется только считать убытки.
Вторая крайность, это отскок клапана от седла. Клапан вроде бы закрылся, но жёсткости пружины не хватает, и он начинает подпрыгивать, как мячик для пинг-понга. Компрессия при этом, понятное дело, теряется.
Казалось бы, поставь пружину пожёстче, и дело решено. Но тогда распредвалу придётся тратить огромное усилие на открытие клапанов, а это кратный рост трения и износа.
Впрочем, инженеры нашли обходные пути. В Формуле-1 вместо стальных пружин давно используют камеры со сжатым азотом, так называемый пневматический привод. Газ не имеет инерции и не входит в резонанс, поэтому клапан возвращается на место практически мгновенно, даже на 20 000 оборотах.
На мотоциклах Ducati десятилетиями применяется десмодромный привод, где один кулачок открывает клапан, а второй принудительно его закрывает через специальное коромысло. Зависнуть клапан просто не может.
Существует и электронный привод, полный отказ от распредвалов как таковых. Каждый клапан управляется отдельным актуатором, что даёт абсолютную свободу настройки.
Допустим, все эти хитрости применены и клапаны работают безупречно даже на 20 000 оборотах. Но тут подкрадывается третья проблема.
Трение
Потери на механическое трение увеличиваются не пропорционально оборотам, а в квадратичной, а порой и кубической зависимости. На запредельных оборотах масло банально не успевает создать устойчивую защитную плёнку. Коленвал при этом работает как гигантский миксер, вспенивая смазку и превращая её в бесполезную эмульсию из воздуха и масла.
Дальше, ещё хуже. Металл при нагреве расширяется, это знает каждый. Но на 20 000 оборотах детали нагреваются не просто сильно, а неравномерно и мгновенно. Собери такой мотор с обычными серийными зазорами, и он заклинит через считанные секунды после выхода на рабочий режим.
Именно поэтому двигатели Формулы-1 эпохи атмосферных V10 нельзя было просто взять и завести на холодную. Бортового стартёра в привычном понимании у них не было.
Перед запуском через блок прокачивали горячее масло и охлаждающую жидкость от внешнего стенда, разогревая металл минимум до 80 градусов. Только когда все детали расширялись до рабочих микронных зазоров, мотор запускали с помощью внешнего стартёра.
Для обычного автомобиля, которому надо заводиться зимним утром под окнами, такой подход, мягко говоря, не годится.
Поршень
Четвёртая причина, пожалуй, самая коварная. Максимальная скорость движения поршня в Honda S2000, крутящейся до 9 000, и в формульном моторе с отсечкой на 18 000, почти одинакова, около 40 м/с. И это не совпадение.
Поршень совершает возвратно-поступательное движение. Он разгоняется с нуля до предельной скорости, а потом тормозит обратно до нуля, чтобы двинуться в обратную сторону. На каждом такте.
На оборотах свыше 20 000 лёгкий поршень весом около 220 гр. испытывает перегрузку свыше 10 000 G. Его эффективная масса в этот момент становится эквивалентна примерно 2,3 т. Шатун при этом работает на разрыв. Если металл растянется хоть на микрон больше допустимого, поршень ударится в головку блока.
Но допустим, и эту задачу решили за любые деньги. Вся нижняя часть двигателя выдерживает что угодно. Можно крутить до бесконечности?
Нет. Когда свеча поджигает топливно-воздушную смесь, она горит с определённой конечной скоростью. Даже с самым высокооктановым бензином фронту пламени нужно время, чтобы пройти всю камеру сгорания.
На 20 000 оборотах поршень летит так быстро, что буквально убегает от взрыва. Он обгоняет фронт пламени, и рабочий ход уже не совершает полезной работы.
Решение напрашивается само собой, надо сделать ход поршня коротким. Тогда и скорость останется невысокой, и прочность деталей не придётся доводить до космических параметров, и фронт пламени будет успевать. Именно так устроены моторы Формулы-1, где ход поршня составляет всего около 40 мм.
Однако у этого решения есть проблемка. Крутящий момент, если упрощать, это сила, с которой поршень давит на шатун, умноженная на плечо рычага. Укорачиваем ход поршня, укорачиваем рычаг, уменьшаем рабочий объём цилиндра.
Результат, двигатель полностью теряет тягу на низких и средних оборотах. Не случайно холостой ход у болидов Формулы-1 составляет 4-5 тысяч оборотов в минуту. Можно только вообразить расход топлива на такой "нейтрали".
6-7 тысяч, золотая середина
Вот почему Honda и опустила отсечку, выпустив второе поколение S2000. Увеличив ход поршня с 84 до 90,7 мм, инженеры получили заметно больший момент на низах.
Но раскручивать мотор до прежних 9 000 уже не имело смысла, ведь с возросшим ходом такие обороты означали бы слишком высокую скорость поршня, а значит, ускоренный износ и сокращение ресурса.
Так что 20 000 оборотов, это не потолок технологий. Это экономический и ресурсный предел. За пределами автомобилестроения сверхвысокие обороты существуют и прекрасно работают.
Крошечные нитродвигатели радиоуправляемых моделей в соревновательных модификациях раскручиваются до 40 000-50 000 оборотов.
Спортивные мотоциклы имели и имеют отсечки на 15, 16 и даже 20 тысяч. Малый размер, ничтожная масса деталей и минимальная инерция позволяют им это.
А мы, обычные автомобилисты, продолжаем ездить с привычными шестью-семью тысячами на тахометре. И жалеть тут не о чем. За этой цифрой стоит продуманный баланс между мощностью, ресурсом и здравым смыслом. Инженерный компромисс, отточенный десятилетиями.