Мотор

При выстреле из такой «пушки» пробка-поршень пойдёт вдоль цилиндра с силой, значительно меньшей, чем снаряд из обычной пушки. Если при этом на поршень поместить груз, поршень поднимет его на некоторую высоту. Таким образом, наша «пушка» произведёт полезную работу.

Однако в технике чаще всего двигатель работает непрерывно и обычно вращает разные механизмы. Посмотрим, нельзя ли с помощью нашей простейшей взрывной машины вращать колесо. Для этого поршень с помощью рычага надо упереть в колесо (рис. 6, б). Тогда при выстреле колесо повернётся. Но чтобы вновь произвести такую же работу, надо «перезарядить пушку» взрывчатым веществом и вновь вдвинуть в цилиндр поршень.

Постараемся сделать это не вручную, а механически.

Вновь вдвинуть поршень в цилиндр не так уж сложно. Если мы рычаг не упрём, а присоединим шарниром к поршню и к массивному колесу — маховику, то при первом же «выстреле» (если выстрел достаточно силен) колесо повернётся, получит разгон и, вращаясь дальше по инерции, вновь с помощью рычага загонит поршень в цилиндр (рис. 6, в).

Рис. 7. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Теперь надо только снова впустить в цилиндр пары бензина, и «пушка» заряжена для следующего выстрела. Для этого в закрытом дне цилиндра сделано отверстие для впуска бензинового пара. Открываться это отверстие должно только в тот момент, когда поршень войдёт в цилиндр. Таким образом, перезаряжая машину, можно заставить её работать непрерывно, периодически поджигая бензиновые пары в цилиндре.

Так работает самый простой двигатель внутреннего сгорания. Как видно, по своему действию он несколько напоминает пушку, хотя изобретатели двигателя внутреннего сгорания, создавая мотор, шли не от пушки, а от паровой машины, в которой поршень передвигается в цилиндре под давлением водяного пара.

В современном двигателе внутреннего сгорания имеются все составные части вышеописанной схемы. В цилиндре двигателя ходит поршень (рис. 7). Он соединён с помощью рычага-шатуна с коленчатым валом, на который насажено тяжёлое колесо-маховик. Движение поршня по цилиндру передаётся через шатун на коленчатый вал. Вал устроен таким образом, что переводит прямолинейное движение поршня во вращательное движение махового колеса. Последнее делается очень тяжёлым, чтобы, получив разгон во время вспышки газа, передвигать поршень обратно в цилиндр До новой вспышки. Такое устройство передачи от поршня к колесу более удобно, чем непосредственное соединение рычага с колесом, как это было изображено на рисунке 6, в. Бензиновые пары поступают в цилиндр через отверстие, которое закрывается клапаном (Б). Газы, остающиеся в цилиндре после сгорания паров бензина, — так называемые отработанные газы — выходят наружу через другое отверстие, закрываемое другим клапаном (А). Смесь паров бензина с воздухом или, как её ещё называют, горючая смесь поджигается с помощью электрической искры.

По такой схеме работал первый газовый двигатель, сконструированный в 1860 году.

В цилиндр этого двигателя поступал газ, смешанный с воздухом. Зажигался он электрической искрой. Для того чтобы поршень и цилиндр не перегревались от постоянно повторяющихся вспышек, цилиндр снаружи охлаждался водой. Как говорят, на цилиндр одевается «водяная рубашка». Эта первая газовая машина вошла в историю под метким прозвищем «пожирателя газа», так как она расходовала огромное количество газа, а в полезную работу превращала меньше 5 процентов тепла от его сгорания. Основная масса тепла уносилась с охлаждающей водой. Такой газовый двигатель оказался невыгодным. В жизнь вошёл другой способ сжигания горючей смеси, осуществляемый при так называемом четырёхтактном процессе работы двигателя.

4. Четыре такта

Основа этого процесса — сжатие горючей смеси перед её вспышкой. Это нововведение повысило полезное использование тепла в двигателе с 4 до 18 процентов.

Для того чтобы лучше уяснить себе работу четырёхтактного двигателя, рассмотрим отдельные положения поршня в цилиндре.

Каждое перемещение поршня с одного края цилиндра к другому называется тактом. В четырёхтактном двигателе поршень четыре раза переходит от одного края цилиндра к другому, и за это время лишь один раз происходит вспышка горючей смеси в цилиндре.

Посмотрите на рисунок 8. Поршень связан при помощи шатуна с коленчатым валом, на который насажено тяжёлое маховое колесо. Если поршень вдвинуть как можно глубже в цилиндр, кривошип удержит поршень от того, чтобы он ударил в закрытую крышку цилиндра. Между крышкой и поршнем останется небольшое свободное пространство, называемое камерой сжатия. Как мы увидим, здесь будет сжиматься горючая смесь. В камере сжатия находятся два отверстия с клапанами: одно — для впуска горючей смеси, другое — для выпуска продуктов горения. Сюда же подведена электрическая запальная свеча для зажигания.

Рис. 8. Четыре такта работы мотора.

Начнём поворачивать маховик, выдвигая тем самым поршень (рис. 8, а). При таком движении поршень будет создавать разрежение в цилиндре, и, если открыть клапан для впуска, горючая смесь засосётся поршнем и заполнит освобождающийся объём цилиндра.

Это движение поршня, вызывающее всасывание горючей смеси, и есть первый такт работы двигателя — всасывание.

Будем продолжать вращение махового колеса, но предварительно закроем клапан подачи горючего (рис. 8, б). Сделав полоборота, маховое колесо будет через кривошип загонять поршень обратно в цилиндр. Тогда горючая смесь, только что заполнявшая весь объём цилиндра, будет сжиматься до тех пор, пока поршень не станет в своё первоначальное положение. Это — второй такт — сжатие.

Теперь остаётся поджечь сжатую горючую смесь. Это делают с помощью искры, получаемой на электрической свече. Смесь взорвётся, и газы с огромной силой надавят на стенки цилиндра и поршень. Величина этого давления достигает 40–45 килограммов на квадратный сантиметр площади поршня. В результате этого газы будут стараться вытолкнуть поршень из цилиндра. Поршень нажмёт на шатун, шатун повернёт кривошип, а вместе с ним и маховое колесо (рис. 8, в).

Это — третий такт двигателя — рабочий ход. Рабочим ходом он называется потому, что именно при этом такте двигатель совершает полезную работу — раскручивает маховик.

Разогнав маховик, поршень уже под его действием вновь загоняется в цилиндр. Но в это время открывается выпускной клапан, и отработанные газы выталкиваются из цилиндра наружу (рис. 8, а).

Это — четвёртый такт двигателя — выхлоп.

При выхлопе поршень опять занимает первоначальное положение, но вращающийся по инерции маховик заставляет его вновь засосать, а затем и сжать горячую смесь. Её снова поджигают искрой (рабочий ход), и все процессы повторяются. Таким образом, двигатель будет работать, и маховое колесо будет безостановочно вращаться.

Давление газов при вспышке настолько велико, что одного рабочего хода поршня вполне достаточно на три вспомогательных такта: всасывание, сжатие и выхлоп. При этом будет вращаться не только сам маховик двигателя, но и присоединённые к двигателю станки или другие машины.

Однако мотор с одним цилиндром работает толчками.

Обычно у двигателя внутреннего сгорания бывает не один цилиндр и поршень, а несколько. В этом случае поршни работают на один маховик через несколько колен коленчатого вала. Естественно, чем больше цилиндров, тем мощнее получается мотор, тем плавнее он работает. Теперь есть авиационные моторы с количеством цилиндров свыше тридцати.

Рис. 9. Схема четырёх цилиндрового четырёхтактного мотора.

Если мотор имеет четыре цилиндра (рис. 9), мы можем так отрегулировать работу клапанов и время зажигания в цилиндрах, что в любой момент один из четырёх поршней будет иметь рабочий ход, вращающий маховик. Когда, например, в одном цилиндре открыт впускной клапан и происходит всасывание горючей смеси, в другом цилиндре в это время оба клапана закрыты, и смесь сжимается. В третьем — электрическая искра даёт вспышку горючей смеси, и поршень совершает рабочий ход. В четвёртом цилиндре при открытом выпускном клапане происходит выхлоп отработанных газов.

В следующее мгновение рабочий ход будет в первом цилиндре, затем во втором, в четвёртом и т. д.

Отрегулировав открывание клапанов и подачу искры в цилиндры, мы заставим двигатель работать плавно и непрерывно. Надо только сообщить мотору начальное вращение, чтобы засосать и сжать горючую смесь в цилиндре, а затем мотор заработает сам.

И когда шофёр с помощью ручки заводит мотор своего автомобиля, он и даёт мотору начальное вращение. Тогда в каком-либо из четырёх цилиндров произойдёт первая вспышка, необходимая для дальнейшей самостоятельной работы двигателя.

Подавляющее большинство современных автомобильных и авиационных моторов работают, совершая четыре такта.

5. Мотор сегодня

На протяжении многих лет развивался двигатель внутреннего сгорания, пока не превратился в обычный автомобильный мотор сегодняшнего дня.

Не раз, вероятно, подходил заинтересованный читатель к остановившемуся автомобилю, рассматривая застывший или работающий мотор.

Посмотрим теперь и мы, как устроен самый обычный четырёхцилиндровый четырёхтактный двигатель автомобиля. Для простоты мы помещаем рисунок одноцилиндрового двигателя в разрезе (рис. 10). Автомобильный четырёхцилиндровый мотор отличается только числом таких же цилиндров и поршней.

Все четыре цилиндра мотора расположены рядом, вертикально. Это одна чугунная отливка — так называемый блок мотора, в теле которого проделаны четыре сквозных отверстия — цилиндры, отполированные изнутри. Внутри цилиндров находятся поршни; они свободно двигаются вверх и вниз, будучи связаны через шатуны с коленчатым валом. Снизу отверстия цилиндров открыты, а сверху закрыты обшей крышкой; это головка блока — глухая стенка цилиндров. Под крышкой цилиндров находится углубление — камера сгорания, куда выходят по два клапана на каждый цилиндр — для впуска горючего и для выхлопа газов; там же находится запальная свеча для подачи в цилиндр электрической искры. Внешне клапаны напоминают шляпку грибка на длинной тонкой ножке; они плотно прижимаются пружиной к своим гнёздам — отверстиям, ведущим на выхлоп или же к горючей смеси. Каждый клапан поднимается автоматически с помощью выступов на кулачковом вале, связанном зубчатой передачей с коленчатым валом мотора. Открытие клапанов происходит соответственно тому такту, который должен осуществляться в данном цилиндре.

Поршень — это самая подвижная часть двигателя. При работе мотора он мечется вверх и вниз по цилиндру несколько тысяч раз в минуту. Во время вспышки горючего температура над поршнем превышает тысячу градусов. Условия работы поршня крайне тяжелы. Поршни почти всех современных двигателей делаются из алюминия для уменьшения их веса и для лучшего отвода от них тепла. Для уменьшения износа поршня от трения о стенки цилиндров, а также для увеличения плотности между цилиндром и поршнем на последний одевают несколько пружинящих колец. Кольца плотно прижимаются к стенкам цилиндров. Со временем они хотя и стираются, однако благодаря тому, что они пружинят, всё же продолжают плотно прилегать к стенкам цилиндра.

Рис. 10. Разрез одноцилиндрового бензинового двигателя.

С помощью шатунов все четыре поршня связаны с коленчатым валом. На валу сидит маховик. Усилие двигателя передаётся на колёса автомобиля через особую передачу и зубчатые шестерни.

Поршни мотора работают в такой последовательности, что на каждый полуоборот вала приходится рабочий ход одного из поршней, так что в каждый момент какой-либо из четырёх поршней толкает вал двигателя.

При работе поршень сначала опускается и засасывает через поднявшийся впускной клапан смесь паров бензина с воздухом. Затем клапан закрывается, и поднимающийся поршень сжимает горючую смесь. В последний момент сжатия в запальной свече, сделанной в виде пробки, ввинченной через головку блока в камеру сгорания, проскакивает весьма сильная электрическая искра. Она производит взрыв сжатой горючей смеси. Взрыв отбрасывает поршень вниз. Поршень через шатун поворачивает коленчатый вал, а затем вновь устремляется в цилиндр, выталкивая газы сквозь открывшийся выхлопной клапан. Всё это происходит много десятков раз в секунду.

Как же при таких скоростях регулируется открытие и закрытие клапанов, а также подача искры? Ведь достаточно хотя бы на мгновение нарушить чёткую последовательность этих операций, как двигатель перестанет работать. Однако ошибки здесь быть не может. Подъём клапанов, как мы уже говорили, производится с помощью специального кулачкового валика, который получает вращение от основного коленчатого вала мотора через зубчатые колёса. Таким образом, положение коленчатого вала точно определяет положение кулачкового валика, а тем самым и соответствующее положение клапанов во всех четырёх цилиндрах.

Рис. 11. Схема электрического зажигания на автомобильном двигателе.

Такая же строгая определённость существует и в установке зажигания. Искра подаётся только в тот цилиндр, где сжимается горючая смесь. Схема электрического зажигания представлена на рисунке 11. Источником электроэнергии для зажигания служит аккумуляторная батарея. При работе мотора аккумулятор непрерывно заряжается небольшой динамомашиной. Она даёт ток, вращаясь от мотора. Но напряжение аккумулятора слишком мало. Оно равно лишь 6—12 вольтам и не может создать сильную искру в цилиндре. Поэтому низкое напряжение с аккумулятора подводится через особый прерыватель к катушке, создающей высокое напряжение, бобине. Бобина устроена так, что при непрерывном замыкании и размыкании подводимого к ней тока повышает напряжение его с 6—12 вольт до нескольких тысяч вольт. Это напряжение может давать очень сильную искру, которая и зажигает сжатую горючую смесь. Распределяет искры по цилиндрам особый распределитель, связанный через зубчатые колёса с валом двигателя. Высокое напряжение подводится от бобины по электрическому проводу к вращающейся пластинке распределителя — ротору. Положение ротора строго определено положением коленчатого вала. Ротор подводит высокое напряжение к свече именно того цилиндра, где в данное мгновение должна проскочить искра. Вращаясь, распределитель не только передаёт искру в цилиндры к свечам зажигания, но и одновременно прерывает ток аккумулятора, подводимый к бобине, создавая тем самым высокое напряжение. Один провод от бобины идёт через распределитель к свече, второй соединяется с корпусом двигателя. Искра создаётся, как уже говорилось, в цилиндре с помощью свечи, ввинчиваемой в головку блока. Внутри этой свечи находится фарфоровая трубка — изолятор, сквозь которую проходит центральный электрод. Электрическая искра проскакивает между этим электродом и боковыми электродами (усиками), соединёнными с корпусом двигателя.

Теперь посмотрим, как поступает в цилиндр горючее. На моторе имеется небольшой прибор — карбюратор (рис. 12). Карбюратор смешивает пары бензина с воздухом. Действие его основано на том, что при такте всасывания поршень втягивает в цилиндр воздух через особую трубу карбюратора, создавая в последнем разрежение. В этой трубе укреплена тоненькая трубочка с горючим, называемая жиклером. Горючее так подведено к жиклеру, что, доходя до самого края трубки, оно не вытекает. Но стоит только двигателю начать работать, как воздух устремится сквозь карбюратор, и воздушная струя начнёт высасывать горючее из трубки. При этом, подобно тому, как это происходит в парикмахерском пульверизаторе, струйка бензина распыляется и, превратившись в пар, смешивается с воздухом. Полученная горючая смесь попадает как раз в тот цилиндр, куда в данный момент открыт впускной клапан.

Воздух

Рис. 12. Схема работы карбюратора.

Изменяя с помощью особой заслонки, установленной в воздушной трубе карбюратора, количество проходящего воздуха, можно регулировать число оборотов мотора. Чем больше открыта заслонка, тем больше засосётся горючего и тем быстрее будет вращаться мотор. Управление заслонкой производится водителем с помощью ножной педали. Нажимая на педаль, водитель, как говорят, «даёт газ» — увеличивает или уменьшает число оборотов мотора.

Горючее поступает в карбюратор из бензобака автомобиля самотёком или же накачивается маленьким насосом в особую поплавковую камеру карбюратора. В этой камере находится поплавок, который включает или выключает поступление горючего в камеру в зависимости от его уровня. Поэтому уровень бензина в карбюраторе всегда постоянен. Именно таким путём бензин всегда поддерживается у самого края трубки-жиклера, так как она сообщается с поплавковой камерой.

Охлаждение и смазка трущихся частей двигателя — вот ещё две задачи, стоящие перед всяким двигателем внутреннего сгорания.

Мы уже говорили о том, что во время непрерывной работы двигатель сильно разогревается от вспышек горючего внутри цилиндра. Поэтому двигатель нужно охлаждать. Для этого на цилиндры одета «водяная рубашка» (рис. 13).

Рис. 13. Схема водяного охлаждения автомобильного двигателя.

Что она собой представляет?

Вокруг цилиндров в самом теле блока ещё при его отливке сделаны пустоты — они-то и заполняются охлаждающей водой. Это устройство и называется «водяной рубашкой»; она облегает рабочие цилиндры мотора, отнимая от цилиндров и поршней тепло, выделяющееся при вспышках горючего. А этого тепла очень много — оно разогревает воду.

Для того чтобы вода остывала, перед мотором устанавливают другое специальное устройство — радиатор, соединённый с «водяной рубашкой». Радиатор состоит из тоненьких трубочек, которые обдуваются встречным воздухом с помощью вентилятора.

В двигателе много трущихся частей — их надо смазывать. Трутся поршни о цилиндры; трутся шарниры шатуна; трётся коленчатый вал в подшипниках. Смазка стенок цилиндра и всех подшипников осуществляется разбрызгиванием масла, находящегося в нижней части кожуха, закрывающего коленчатый вал с шатунами. Эта часть двигателя называется картером; он хорошо виден на рисунке 10. При своём движении вверх и вниз шатуны захватывают масло и разбрызгивают его. Масляная пыль оседает на трущихся частях. В других случаях масло подаётся к трущимся частям маленьким масляным насосом, который накачивает смазку через специальные отверстия в теле коленчатого вала.

Рис. 14. Схема силовой передачи автомобиля.

Но вот мотор работает.

Как же его усилие передаётся колёсам автомобиля?

Между валом двигателя и колёсами автомобиля находится ряд зубчатых шестерён и специальная муфта сцепления. Эта муфта необходима для того, чтобы отсоединять работающий двигатель от колёс при переключении шестерён и при остановке автомобиля, когда двигатель его ещё продолжает работать (рис. 14).

Вал автомобильного двигателя всегда вращается только в одну сторону. Число оборотов и усиление двигателя меняется также лишь в определённых пределах. Но ведь автомобилю нужно трогаться с места, набирать скорость, а иногда двигаться назад. Всё это выполняется с помощью коробки передач (коробки скоростей), переключаемой водителем.

Коробка эта состоит из ряда зубчатых колёс, которые могут передвигаться с помощью особой рукоятки. Шестерни вступают в зацепление с зубчатыми колёсами и передают вращение мотора колёсам автомобиля. При этом число оборотов колёс в несколько раз уменьшается по сравнению с оборотами мотора. А уменьшая число передаваемых оборотов, шестерни соответственно увеличивают усилие мотора, передаваемое колёсам. Чем медленней едет автомобиль, тем большую силу он имеет на колёсах. Переключив соответствующим образом шестерни коробки передач, можно заставить колёса автомобиля вращаться и в обратную сторону. При заднем ходе автомобиля вал двигателя продолжает вращаться в ту же сторону.

Таковы устройство и работа автомобильного мотора.

Работа мотоциклетного двигателя не отличается от автомобильного. Двигатель мотоцикла имеет обычно один или два цилиндра, охлаждаемых не «водяной рубашкой», а встречным потоком воздуха. Такое охлаждение называется воздушным. Цилиндры для лучшего охлаждения имеют снаружи тонкие рёбра и располагаются не в одном блоке, а порознь. Чаще всего они установлены горизонтально, навстречу друг другу или же под углом — в виде римской цифры V. Работа клапанов, регулировка зажигания, переключение скорости производятся так же, как в двигателе автомобиля.

В заключение посмотрим, от чего зависит мощность современного двигателя внутреннего сгорания.

В первую очередь она зависит от числа цилиндров в двигателе — чем больше их, тем значительнее мощность мотора. Мощность зависит также и от размеров самого цилиндра, от объёма его. Когда говорят, что двигатель имеет объём столько-то кубических сантиметров — этим характеризуют мощность двигателя. Наконец, с увеличением числа оборотов мотора, естественно, растёт и его мощность. Есть и ещё одна величина, влияющая на мощность мотора, — это степень сжатия горючей смеси перед её зажиганием. В обычных двигателях смесь сжимают в Б или 6 раз. Увеличение сжатия увеличивает и мощность двигателя, но не беспредельно. При степени сжатия свыше 8–9 горючее начинает самовоспламеняться или, как говорят, двигатель детонирует. Об этом свойстве самовоспламенения горючего мы расскажем в следующей главе.