МОТОР

МОТОР СЕГОДНЯ

А 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 общей крышкой; это г о - ловка 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.

С помощью шатунов все четыре поршня связаны с ко­ленчатым валом. На валу сидит маховик. Усилие двига - теля передаётся на колёса автомобиля через особую пере* дачу 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.

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 б—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 б—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 о 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 ж и к л е р ом. 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 го» рючая смесь попадает как раз в тот цилиндр, куда в дан-« ный момент открыт впускной клапан.

Изменяя с помощью особой заслонки, установлен­ной в воздушной трубе карбюратора, количество прохо­дящего воздуха, можно регулировать число оборотов мо­тора. Чем больше открыта заслонка, тем больше засо - сётся 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 охлаж-

Дать. Для этого на цилиндры одета «водяная рубашка» (рис. 13).

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 омазку через специальные отверстия в теле коленчатого вала.

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 двига­теле 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 од и л 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 рмеет 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.

Рассмотренный нами двигатель внутреннего сгорания * даёт по сравнению с паровой машиной огромную экономию топлива. Однако для своей работы он требует весьма дорогостоящего горючего — бензина.

Изобретатели задались целью — создать наиболее экономичный двигатель, который, обладая качествами бензинового мотора, работал бы на более дешёвом жидком горючем.

Такой двигатель, работающий на керосине, удалось создать изобретателю инженеру Дизелю, именем которого

И назван новый двигатель внутреннего сгорания. Ди­зель же, работающий на самом дешёвом жидком топ­ливе — на сырой нефти, был создан в России.

Дизель показал высокое полезное использование тепла горючего — 34 процента против 24 процентов у бензино­вого мотора и 10—15 процентов у паровой машины.

Как же работает и устроен дизель? Чем он отличается от бензинового мотора?

Представьте себе обычный четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания с цилиндром, поршнем, коленчатым валом и маховиком. Создадим этому двигателю несколько иные условия работы и рассмотрим четыре такта его рабо­чего процесса (рис. 15).

Первый такт: в цилиндр двигателя всасывается чистый воздух, а не горючая смесь воздуха с парами бен­зина, как в обычном моторе.

Второйтакт: воздух обратным движением поршня подвергается очень большому сжатию (до 35 атмосфер). В резульгате сжатия он мгновенно нагревается (до 700 градусов). Эта температура вполне достаточна для того, чтобы горючее вспыхнуло без зажигания электрической искрой. Поэтому, если в такой раскалённый сжатый воз­дух впрыснуть теперь жидкое топливо, оно самовоспла­менится. Это и осуществляется в следующем такте.

Третий такт: горючее подаётся в цилиндр посте­пенно с тем, чтобы оно не взрывалось, а сгорало. При та­ком сгорании газы, расширяясь, будут давить на поршень во время всего рабочего хода, а не только в момент взрыва, как это было в бензиновом двигателе.

При четвёртом такте поршень выталкивает отра­ботанные газы в выхлопную трубу.

— Но,— скажет поверхностный наблюдатель,— ведь почти то же самое происходит в бензиновом моторе. Правда, у него давление сжатия смеси меньше... Надо, видимо, увеличить давление...

Оказывается, в высоком давлении при сжатии заклю­чается основное преимущество дизеля. Такое давление даёт наилучшее использование горючего. В обычном дви­гателе нельзя применить высокое давление, так как сжи­маемая здесь горючая смесь при большом давлении может преждевременно самовоспламениться и нарушить всю ра­боту мотора.

Горючее подаётся в цилиндр дизеля постепенно и так же постепенно сгорает в нём. Это позволяет сжигать в дизеле тяжёлое горючее: нефть, соляровое ма­

Сло и т. п.

Как мы уже говорили, первые зарубежные дизели ра­ботали на бензине и керосине. Только после того, как в России, на Балтийском заводе в Петербурге, в 1899 году был построен первый в мире двигатель внутреннего сго­рания, работавший на нефти, успех дизелей окончательно утвердился в технике.

Был создан самый дешёвый и экономичный двигатель внутреннего сгорания.

Усовершенствование дизелей на этом не прекра­тилось.

Вскоре был построен дизель, работающий двух­тактно (рис. 16). Зачем на один рабочий ход поршня

Тратить три вспомогательных хода, когда весь рабочий процесс двигателя можно завершить при двух ходах поршня?

В двухтактном двигателе поршень не производит вса­сывания и выхлопа. Эти такты заменены искусственной продувкой цилиндра свежим воздухом, который выталки­вает выхлопные газы и заполняет цилиндр перед сжатием.

Продувка совершается в тот момент, когда поршень выдвигается из цилиндра. В это короткое мгновение через

Специальные окна в цилиндр врывается струя сжатого свежего воздуха, вытесняет выхлопные газы и заполняет цилиндр. После этого сжатие и рабочий ход происходят, как обычно.

Казалось, в этом случае, когда каждый рабочий ход приходится на два такта поршня, мощность двигателя должна возрасти вдвое. Практически же она возрастает процентов на семьдесят. Но при этом двухтактный двига­тель потребляет и больше горючего, чем четырёхтактный. Может быть, поэтому в технике до сих пор ещё не решён вопрос о том, какой из двигателей лучше: четырёхтактный или двухтактный.

Двухтактными бывают не только нефтяные, но и бен­зиновые двигатели — чаще всего мотоциклетные.

Еред нами современный транспортный дизель (рис. 17). Часть чугунного блока двигателя представ­ляет собой несколько вертикально расположенных ци­линдров. Каждый цилиндр имеет двойные стенки. Наруж­ные стенки составляют уже известную нам по автомо­бильному мотору «водяную рубашку», внутренние — сам цилиндр. Для того чтобы в случае износа не менять всего блока цилиндров, стенки цилиндров иногда де­лаются в виде вставных гильз — отрезков трубы, которые при необходимости можно заменять.

Внутри цилиндра ходит поршень. Сверху цилиндр закрыт крышкой, также имеющей «водяную рубаш­ку». Между верхней крышкой и поршнем находится камера

Сгорания.

Коленчатый вал укреплён на подшип­никах в блоке двига­теля и приводится во вращение от порш­ней через шатуны.

Тяжёлый махо­вик, насаженный на коленчатый вал,

Обеспечивает двига­телю плавный ход.

Ввиду того, что давление воздуха в цилиндре двигателя достигает в момент сжатия 30—35 атмо­сфер, горючее долж­но поступать в каме­ру сгорания с ещё большим давлением. Существует два способа такой по­дачи топлива: компрессорный и бескомпрес - сорный.

При первом способе специальный воздушный насос - компрессор, приводимый в движение от коленчатого вала

Двигателя, накачивает воздух в особый резервуар высо­кого давления, откуда воздух и подводится к топливной форсунке — прибору, разбрызгивающему горючее. К мо­менту рабочего хода поршня насос подаёт небольшую порцию горючего в форсунку, где оно подхватывается струёй сжатого воздуха и распыляется в камере сгорания. Такая установка довольно сложна. Однако достоинством этой установки является то, что сжатый воздух можно использовать для запуска самого двигателя. Благодаря большому давлению сжатия запуск дизеля является до­вольно трудным делом.

За последние годы в дизелестроении начали широко применять бескомпрессорную подачу топлива. Она приме­нена и на изображённом на рисунке 17 дизеле. В этом случае горючее нагнетается в камеру сгорания под огром­ным давлением в 350—400 атмосфер, а в некоторых слу­чаях даже до 600 атмосфер.

Такое давление создаётся небольшим топливным насосом. Плотно пригнанный поршенёк, двигаясь внутри насоса, сжимает горючее, пытаясь его вытеснить через тончайшие отверстия форсунки. Поскольку эти от­верстия имеют диаметр не более 0,2—0,4 миллиметра, вытесняемое насосом топлива не может вытекать сразу и врывается в цилиндр под огромным давлением. Распыля­ясь и смешиваясь с раскалённым от сжатия воздухом, оно вспыхивает.

Сейчас топливные насосы почти полностью вытеснила компрессорное питание дизелей.

Число оборотов и мощность двигателя регулируются подачей горючего.

При работе дизеля на судах, на тепловозах и на трак­торах приходится зачастую очень резко менять число обо­ротов двигателя, а иногда даже менять ход его на обратный.

При трогании тепловоза с места дизель должен давать сразу большую мощность. Однако именно в этом случае дизель развивает малую мощность, ибо она зависит от числа оборотов мотора, возрастая с их увеличением.

Что же делать? Поставить уже известную нам коробку скоростей? Нет. Если это просто выполнить на автома­шине, где мощность двигателя не превышает 100—150 ло­шадиных сил, то на тепловозе и теплоходе, где мощность

В десятки раз больше (2000—10 000 лошадиных сил), сде­лать такую коробку скоростей крайне трудно — она дол­жна иметь огромные размеры.

Задача эта была разрешена в России, где дизель впервые был применён на транспорте. В нашей стране были изобретены различные системы передач усилия от дизеля на колёса локомотива и винт судна. Одна из этих передач — электрическая. Она состоит в том, что дизель вращает генератор, вырабатывающий электрический ток. Ток приводит в движение электромоторы, которые вра­щают винты судна или колёса тепловоза (рис. 18). Изме*

Няя силу тока генератора, можно получить любое число оборотов электромотора, с любым усилием. Переключая электрические обмотки моторов, можно весьма просто из­менять ход тепловоза на обратный.

Применяется также гидравлическая передача. Она заменяет коробку скоростей; вместо зубчатых колёс здесь усилие передаётся через жидкость. Специальное приспо­собление позволяет плавно изменять число оборотов.

В последние годы обе эти передачи начали получать всё большее распространение.