Двигатель
Введение
– Знаю, что бывают двухтактные и четырехтактные двигатели, но плохо представляю разницу между ними. А еще говорят – «двигатель внутреннего сгорания». Это то же самое или что-то совсем другое? Чтобы наши дальнейшие рассуждения были более понятны, давайте вначале договоримся о терминологии, хотя бы об основных понятиях. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – механическое устройство, в котором химическая энергия сгорающего топлива превращается в тепловую, а затем – в механическую. Сгорание топлива происходит непосредственно внутри двигателя, в так называемой камере сгорания, образованной цилиндром и его головкой. Рабочим циклом называется совокупность рабочих процессов, последовательно происходящих в цилиндре. Таких процессов пять: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Поршень – деталь двигателя, воспринимающая давление газов, образовавшихся при сгорании топлива, и передающая это давление через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Цилиндр – деталь, внутри которой перемещается поршень. Внутренняя поверхность цилиндра является для поршня направляющей, наружная служит для отвода тепла. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – крайнее верхнее положение поршня. Нижняя мертвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение поршня. Такт (или ход) – перемещение поршня из одного крайнего положения в другое. За один такт коленчатый вал поворачивается на 180° (на пол-оборота). Рабочий объем цилиндра – объем, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ. Рабочий объем измеряется в кубических сантиметрах. Для одноцилиндрового двигателя рабочий объем одного цилиндра является и рабочим объемом двигателя. Для многоцилиндровых двигателей рабочий объем определяется как сумма рабочих объемов цилиндров. (Иногда рабочий объем называют литражом). В формулах рабочий объем обозначается Vh; Объем камеры сгорания – это объем над поршнем при его нахождении в ВМТ. Он обозначается Vc. Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема Vh и объема камеры сгорания Vc. Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси в цилиндре при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Степень сжатия (E) – отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc Двухтактный двигатель – двигатель внутреннего сгорания, в котором полный рабочий цикл происходит за два такта или, что одно и то же, за один оборот коленчатого вала. Четырехтактный двигатель – то же самое, но полный рабочий цикл происходит за четыре такта, то есть за два полных оборота коленчатого вала. Понятно, что это далеко не все термины, с которыми бы будем сталкиваться в дальнейшем. И потому по мере надобности мы будем объяснять все новые и новые понятия. Пока же этого достаточно, чтобы перейти к главному: рассмотреть рабочие процессы и разобраться в устройстве двигателя.
Рабочий цикл
Его рассмотрение мы начнем с четырехтактного двигателя – так легче понять процессы. Первый ход поршня вниз используется для впуска в цилиндр горючей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха, связанных определенной пропорцией. Горючая смесь поступает через открытый впускной клапан. Это такт впуска. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закроется и поршень, двигаясь в обратном направлении, начнет сжимать смесь, совершая такт сжатия. При сжатии смесь нагревается и активно перемешивается.
Около ВМТ смесь поджигается и сгорает. При этом объем газов многократно увеличивается, возрастает давление в камере сгорания. Поршень под действием этого давления начинает двигаться вниз, происходит такт расширения – единственный полезный рабочий ход. Когда поршень находится у НМТ, открывается выпускной клапан, и отработавшие газы начинают выходить в атмосферу. Двигающийся к ВМТ поршень активно их вытесняет – происходит такт выпуска. Затем весь цикл повторяется. В рассмотренном нами рабочем цикле мы для простоты восприятия считали, что впускной клапан открывается при положении поршня в ВМТ, а выпускной открывается, когда поршень находится в НМТ. На самом деле в реальном двигателе все гораздо сложнее. Судите сами – ведь клапан не может открыться мгновенно. Для его полного открытия необходимо какое-то время, как и для закрытия. Поэтому открываться впускной клапан начинает еще до прихода поршня в ВМТ – это называется опережением впуска. Соответственно и закрывается он после прихода поршня в НМТ (запаздывание впуска). То же самое происходит с выпускным клапаном: он открывается до прихода поршня в НМТ (опережение выпуска) и закрывается после ВМТ (запаздывание выпуска). Периоды открытия клапанов – они обычно измеряются в градусах поворота коленчатого вала – называются фазами газораспределения. Пользуясь теперь этим термином, можно сказать, что открытие клапанов, с опережением и. закрытие с запаздыванием увеличивает длительность фаз (расширяет фазы). В результате улучшаются наполнение цилиндра горючей смесью и очистка его от отработавших газов, повышается мощность двигателя. Для наглядности фазы принято изображать в виде круговой диаграммы (рис. 22). Глядя на нее, Даже неподготовленный зритель увидит, что существуют периоды, когда одновременно открыты оба клапана. Эти периоды принято называть перекрытием клапанов. В это время происходят сразу два процесса: заряд цилиндра свежей смесью и очистка его от отработавших газов. С одной стороны, это плохо: часть свежего заряда буквально «вылетает в трубу». С другой стороны, при этом улучшается качество свежего заряда и, значит, горение, стало быть, повышается мощность двигателя.
Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя: 1-впуск; 2 – сжатие; 3 – рабочий ход; 4 – выпуск; 5 – опережение впуска; 6 – перекрытие клапанов; 7 – запаздывание выпуска; 8 – опережение выпуска; 9 – запаздывание впуска.
Из тех же соображений повышения мощности рабочую смесь в камере сгорания и поджигать, очевидно, следует не в момент прихода поршня,в ВМТ, а гораздо раньше (ведь горение – процесс, то же требующий времени). Причем не просто «раньше», а с таким расчетом, чтобы начало рабочего хода совпало с пиком давления над поршнем. Этот момент опережения зажигания для каждого двигателя строго индивидуален. От его величины зависят легкость пуска, развиваемая мощность и топливная экономичность двигателя. – В четырехтактном двигателе все просто: открываются и закрываются клапаны, происходит впуск и выпуск смеси и газов. Но в двухтактном моторе клапанов нет, а он тоже работает. Как же так? Верно, главное отличие двухтактного двигателя как раз в том и состоит, что у него нет клапанов. Но процесс газораспределения здесь протекает по тем же законам. Только «заведует» всем этим... поршень. Другое отличие состоит в том, что рабочий процесс происходит не только над поршнем, как в четырехтактном моторе, но и под поршнем, в так называемой кривошипной камере, которая в связи с этим делается герметичной. А третье отличие – в устройстве цилиндра и головки. Если у четырехтактника цилиндр очень простой, а головка сложная (в ней, как правило, размещаются клапаны), то у двухтактного мотора наоборот: в стенках цилиндра имеются окна и каналы сложной конфигурации, а головка простая. Чем вызваны эти различия, мы поймем, когда рассмотрим, как протекает рабочий процесс в двухтактном. Итак, поршень движется вверх. Как только его верхняя кромка перекроет левый продувочный канал, соединяющий цилиндр с кривошипной камерой, в картере под поршнем начинает образовываться разрежение. Пока правый выпускной канал еще открыт, в цилиндре над поршнем идет выпуск и продувка. Но как только верхняя кромка поршня перекроет и этот канал, начнется сжатие. Продолжая двигаться вверх, поршень своей нижней кромкой откроет правый впускной канал, и в кривошипную камеру, в полость под поршнем, начнет поступать свежая горючая смесь из карбюратора. Начнется впуск. В момент, когда поршень приблизится к ВМТ на расстояние, соответствующее опережение зажигания (вы уже знаете об этом), искровой разряд подожжет сжатую в камере сгорания смесь. Образовавшиеся при этом горячие газы, стремясь расшириться, заставят поршень, по инерции прошедший ВМТ, устремиться вниз. Произойдет рабочий ход.
Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя с золотниковым впуском: 1 – впуск в картер; 2 – сжатие в картере; 3 – продувка; 4 – выпуск; 5 – сжатие в цилиндре; 6 – рабочий ход.
Когда нижняя кромка поршня перекроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие (его называют предварительным). Давление под поршнем повысится до 1,25-1,5 см3. Когда верхняя кромка головки поршня, все еще идущего вниз, откроет выпускное окно, отработавшие газы, сохранившие достаточное давление, устремятся в выпускную систему. Начнется выпуск. К тому моменту когда давление над поршнем станет почти равным атмосферному, головка поршня откроет и левое продувочное окно. Предварительно сжатая в кривошипной камере горючая смесь через продувочный канал направится в цилиндр и заполнит его, вытесняя отработавшие газы и частично смешиваясь с ними. При этом часть свежего заряда, понятно, вылетит в выпускное окно. (Это называется «прямой выброс»). Произойдет продувка . Она закончится, когда прошедший НМТ поршень начнет двигаться вверх и перекроет продувочное окно. Выпуск же будет продолжаться до тех пор, пока и выпускное окно не будет перекрыто. Если попытаться построить уже знакомую нам диаграмму фаз газораспределения, то придется показывать одновременно два процесса: один, происходящий над поршнем, в цилиндре, и другой, протекающий под ним, в кривошипной камере. В результате получится две диаграммы, два кольца. Внутреннее обычно изображает процессы в картере, наружное – в цилиндре. Диаграммы, естественно, имеют абсолютно симметричные фазы газораспределения. – Если в двухтактном двигателе рабочий ход происходит в два раза чаще, чем в четырехтактном, то и мощность при том же рабочем объеме должна быть в два раза больше ? Или я чего-то не Понимаю ? Ну, конечно же, все должно быть именно так. Теоретически. А на практике выходит по-другому. Несмотря на все ухищрения конструкторов, цилиндры двухтактных моторов все же плохо очищаются от отработавших газов. Как следствие, в них меньше попадает свежей смеси – значит, и процесс горения идет хуже. К тому же часть свежей смеси успевает выскочить в выпускное окно, вовсе не поработав (помните «прямой выброс»?). А одно только это обстоятельство увеличивает расход топлива на 20-30%. А есть еще «обратный выброс», в карбюратор! На мотоциклах 50-60-х годов, имевших простые сетчатые воздушные фильтры, потери от обратного выброса составляли тоже ощутимую величину – до 25%... Словом, не получается двойного выигрыша в мощности, сколько ни старайся. Да еще и по токсичности «двухтактник» явно «грязнее» своего четырехтактного соперника. Тут бы мог прозвучать следующий вопрос: «А зачем же тогда..?» Его в моей почте нет, но он подразумевается с тех самых пор, как шотландский инженер Дугалд Клерк в 1877 году создал двухтактный двигатель такой противоречивый, имеющий множество пороков – и вот уже больше века не сдающийся. А потому ответим. Затем, что двухтактник гораздо проще по устройству. Проще в изготовлении. Надежнее. Проще в эксплуатации. И дешевле. Согласитесь – не так уж мало. А если еще принять во внимание, что двухтактные двигатели тоже непрерывно совершенствуются (по последним сведениям, австралийской кампанией «Orbital» разработан новый принцип продувки двухтактного двигателя, который выводит этот мотор по топливной экономичности и мощности на один уровень с лучшими четырехтактными образцами), то спор между разными моторами, длящийся уже не одно десятилетие, может никогда не закончиться.