Иван Серяков - Книга юного мотоциклиста

Каждый из вас знает, как стреляет ружье. В казенную часть вставляют патрон, заряженный порохом. Когда боек ударяет по капсюлю, порох воспламеняется, начинает гореть. Получаемые от сгорания пороха газы нагреваются. Давление газов сильно возрастает, и они выталкивают пулю из ствола. И здесь тепловая энергия превращается в механическую работу. А нельзя ли эту работу использовать для приведения в действие машин? Практически нельзя. Получаемая при выстреле энергия слишком велика, да и давление газов нарастает рывком. Вместо пороха надо взять вещества, которые при сгорании дают толчок более плавный. Пригодными оказались пары бензина.

Возьмем цилиндр, зарядим его смесью паров бензина с воздухом и закроем пробкой. Воспламеним смесь. Наша пробка вылетит из цилиндра, словно пуля. Но мы один раз выстрелили — и пробка улетела. Чтобы второй раз выстрелить, надо, очевидно, иметь другую пробку. А если стрелять час, сколько понадобится таких пробок! А, кроме того, нам ведь нужна не пушка, а двигатель, который приводил бы в движение другие механизмы. Что если нашу пробку при помощи рычага прикрепить так, чтобы она не улетала, а после каждого «выстрела» возвращалась обратно в цилиндр. Теперь осталось соединить рычаг от пробки-поршня с деталями так, чтобы работа поршня не пропадала даром. Как же все это выглядит в двигателе?

Двигатель внутреннего сгорания (рис. 19) имеет цилиндр, по которому вверх и вниз движется поршень.

Рис. 19. Главные части двигателя .

Сверху цилиндр закрывается крышкой с углублением. Это головка цилиндра с камерой сгорания.

Поршень вверх может подниматься до определенного уровня. Самое верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (в. м. т.). Вниз поршень может двигаться тоже до определенного положения. Это положение называется нижней мертвой точкой (н. м. т.).

В верхней части цилиндра сделано два отверстия — каналы, которые могут закрываться и открываться при помощи клапанов. Через один из этих каналов в цилиндр поступает смесь паров бензина с воздухом. Он называется впускным. Через другой, он называется выпускным, из цилиндра уходят продукты горения — отработавшие газы.

Горючую смесь надо чем-то воспламенить. Воспламенение производится электрической искрой, которая появляется в свече зажигания, ввернутой в головку цилиндра.

Поршень при помощи стального стержня-шатуна соединен с валом, имеющим изгиб — колено. Это коленчатый вал с кривошипом. Коленчатый вал вращается в подшипниках. На одном конце коленчатого вала насажено массивное колесо, которое называется маховиком.

Если мы станем поворачивать коленчатый вал с того положения, когда поршень находится в верхней мертвой точке, то колено будет уходить в сторону и через шатун потянет поршень вниз. Это будет происходить до тех пор, пока поршень не пройдет половину пути. Продолжая движение, колено повернется вниз, а поршень достигнет мертвой точки. Коленчатый вал повернется на 180°, поршень опустится вниз. Из нижнего положения коленчатый вал будет, продолжая движение, поворачиваться вверх. Конечно, и поршень пойдет вверх из н. м. т. в в. м. т. Расстояние от в. м. т. до н. м. т. называется ходом поршня.

Объем цилиндра, заключенный между мертвыми точками, называется рабочим объемом. Его принято измерять в кубических сантиметрах. Сумма объемов камеры сгорания и рабочего объема называется полным объемом цилиндра.

Мы уже знаем, что для того, чтобы двигатель мог работать, надо сначала зарядить его горючей смесью.

Как же это делается? Поставим поршень в верхнюю мертвую точку и станем вращать коленчатый вал. Поршень будет уходить вниз, и пространство над ним увеличится. Давление воздуха в цилиндре станет меньше атмосферного. В цилиндре образуется разрежение. Одновременно с этим открывается впускной клапан, и горючая смесь, приготовленная в особом приборе — карбюраторе, быстро заполнит цилиндр (рис. 20).

Рис. 20. Рабочий цикл четырехтактного двигателя .

Процесс заполнения цилиндра горючей смесью получил название такта впуска.

Коленчатый вал за это время повернется на 180°, и впускной клапан закроется. Цилиндр «заряжен». Но поршню некуда «лететь», так как дальше н. м. т. он никуда не может уйти. Вспомните двигатель Ленуара. Газ сжигался после того, как он заполнял цилиндр. Двигатель был неэкономичным, «пожирателем газа». Необходимо перед воспламенением смеси сжать ее — коэффициент полезного действия двигателя от этого значительно повысится.

Коленчатый вал продолжает подниматься кверху и толкает поршень. Горючая смесь сжимается. Давление и температура ее повышаются. Сжатие будет закончено, когда поршень придет в верхнюю мертвую точку.

У современных двигателей давление в конце сжатия достигает 8 атмосфер и более, а температура —300° и выше. Само собою разумеется, что впускной и выпускной клапаны при этом закрыты.

Процесс сжатия горючей смеси называется тактом сжатия. Коленчатый вал за это время повернется на 180°.

Смесь можно сжимать в несколько раз. Узнать, во сколько раз сжата смесь, легко. Для этого надо разделить полный объем цилиндра на объем камеры сгорания. Получится отвлеченная величина, которая называется степенью сжатия. При более высокой степени сжатия лучше идет процесс горения. Чем сильнее сжата смесь, тем больше мощность двигателя. В современных мотоциклетных двигателях степень сжатия составляет примерно 5–6, а у гоночных достигает 9,5 и больше.

Сжатую смесь надо воспламенить. Это делается при помощи электрической искры. Температура в цилиндре повышается до 2000 °C, а давление — более чем до 20 атмосфер. Под действием давления газов поршень начинает быстро двигаться вниз, с силой давя на шатун. Этот процесс называется тактом расширения, или рабочим тактом. Рабочий такт происходит на протяжении хода поршня от в. м. т. до н. м. т. Коленчатый вал за это время повернется на 180°. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Тепловая энергия, выделяемая сгоревшим топливом, превратилась в механическую работу. Вместо горючей смеси в цилиндре создались продукты горения — отработавшие газы. Надо очистить от них цилиндр и освободить место для свежей смеси. Когда поршень придет в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан. Так как давление газов, хотя и понизилось в конце рабочего такта, все же выше атмосферного, то часть газов сразу же устремляется наружу. Продолжая вращаться, коленчатый вал толкает поршень вверх. Идя вверх, поршень выталкивает газы через выпускной канал, ускоряя очистку цилиндра. Когда поршень придет в верхнюю мертвую точку, цилиндр очистится от отработавших газов.