А нельзя ли использовать порох в автомобильном двигателе, чтобы заставить его энергию приводить в действие механизм автомобиля? Оказывается, нельзя. Порох сгорает быстро, точнее – взрывается. А это вредно отразится на двигателе. К тому же и теплотворная способность пороха – количество выделяемого при горении тепла – незначительна: раз в десять меньше, чем у нефтяного топлива. А ведь это очень важно: чем больше тепла выделит топливо, тем больше его можно превратить в работу. Несравненно выгоднее в двигателе применять бензин: он и горит более спокойно и выделяет больше тепла.
Принцип работы двигателя
Чтобы уяснить принцип работы двигателя, проделаем простой опыт. Возьмем небольшой цилиндр, плотно закроем его пробкой и поставим на спиртовку. При нагревании воздух в цилиндре будет расширяться и вытеснять пробку.
Примерно то же самое происходит в цилиндре автомобиля. Только цилиндр не подогревают, а внутри его сжигают топливо. Полученная при горении теплота нагревает продукты горения – газы, те расширяются и энергично толкают пробку-поршень.
Так тепловая энергия превращается в работу, «рождаются» лошадиные силы, движущие автомобиль.
При выстреле пуля вылетает из ствола ружья. А если бы поршень при работе цилиндра также вылетал, то для непрерывной работы понадобилась бы целая куча их. Но в действительности цилиндр все время «заряжается» горючей смесью и «стреляет» одним и тем же поршнем, потому что он «привязан» с помощью деталей к специальному механизму. Вот послушайте, как это сделано.
Решение задачи
Поршень движется прямолинейно, вдоль цилиндра, совершая движение вверх и вниз:
А посмотрите на мчащийся автомобиль: колеса его совершают круговое движение. Значит, двигатель должен преобразовать прямолинейное движение во вращательное. Инженеры остроумно решили эту задачу.
Поршень посредством стального стержня-шатуна соединил с валом, имеющим колена-кривошипы, а потому и получившим название коленчатого вала. Верхний конец шатуна соединен с поршнем, а нижний – с шейкой коленчатого вала.
Теперь, когда поршень станет двигаться вниз, он будет толкать шатун, в результате повернется колено вала. Если коленчатый вал вращать дальше, колено его станет подниматься и начнет толкать вверх шатун, а через него поршень. Как видите, поршень все время ходит вверх-вниз, а коленчатый вал вращается. Таким простым способом и решается задача превратить прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм, который это осуществляет, получил название кривошипно-шатунного механизма.
Начало и конец
Началом работы двигателя является заполнение цилиндра горючей смесью. Как это происходит?
При движении поршня вниз давление в цилиндре понижается до 0,8 атмосферы. Над поршнем создается разрежение.
Но цилиндр сообщается с прибором, приготовляющим горючую смесь. Смесь поступает через впускное отверстие с клапаном.
На верхнем левом рисунке вы видите процесс заполнений цилиндра горючей смесью – такт впуска. Когда закончится заполнение цилиндра, смесь надо сжать. Процесс сжатия показан на правом верхнем рисунке. Клапаны здесь закрыты, чтобы смесь не могла уйти из цилиндра, поршень, двигаясь вверх, сжимает ее. Но вот смесь сжата. Теперь ее воспламеняют, происходит процесс горения, давление резко повышается. Под давлением газов поршень быстро движется вниз – это рабочий такт (левый рисунок). Такт выпуска показан на правом нижнем рисунке.
Поршень пошел вниз – клапан открывается, и горючее устремляется в разреженное пространство над поршнем.
Чем больше смеси войдет в цилиндр, чем лучше он наполнится, тем больше теплоты выделится при горении и тем большую работу произведет продукт горения – газ.
Процесс заполнения цилиндра горючей смесью получил название такта впуска. Он начинается тогда, когда поршень станет уходить из самого верхнего положения – от верхней мертвой точки. Почему верхнее положение поршня называют мертвой точкой? А потому, что здесь поршень меняет свое направление на обратное, в течение ничтожной доли секунды он стоит на месте и скорость его равна нулю. Точно так же нижнее положение поршня называют нижней мертвой точкой.
Расстояние между нижней и верхней мертвыми точками составляет ход поршня. Его измеряют в миллиметрах. Объем цилиндра, ограниченный мертвыми точками, назвали рабочим объемом. Пока поршень придет из верхней мертвой точки в нижнюю, коленчатый вал успеет повернуться на 180 градусов, совершить полоборота.