3. Как работает двигатель внутреннего сгорания

Как же работает двигатель внутреннего сгорания?

Каждый из вас, вероятно, знает, как стреляет пушка. Ствол пушки похож на закрытую с одного конца трубу. В него закладывается сначала пороховой заряд, а затем снаряд. Чтобы выстрелить из пушки, пороховой заряд поджигают. Для этого в старину к маленькой дырочке, просверленной в закрытой части ствола, подносили зажжённый фитиль (рис. 5). Порох вспыхивает и, быстро сгорая, образует огромное количество раскалённого газа. Газ с огромной силой давит на донышко снаряда и выбрасывает снаряд из ствола.

Сила взрыва пороха настолько велика, что снаряд из пушки летит зачастую на несколько десятков километров. Уловить и использовать энергию этого взрыва для приведения в движение какой-либо машины крайне затруднительно. Слишком значительна энергия взрыва пороха. Чтобы использовать эту энергию, взрыв надо укротить.

Рис. 5. При выстреле из пушки ядро движется в стволе подобно поршню в цилиндре двигателя

Представим себе другую машину, которая в своей основе мало отличается от только что рассмотренной пушки, но энергию которой можно использовать. Возьмём такую же трубу, как ствол пушки, также закрытую с одной стороны, только значительно короче (рис. 6, а) и прочно укрепим ее. В эту трубу-цилиндр поместим вместо пороха, чтобы не получить слишком сильного взрыва, взрывчатое вещество послабее - например, смесь паров бензина с воздухом. Вместо снаряда вставим хорошо пригнанную металлическую пробку - поршень, который свободно ходит внутри цилиндра.

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.

Рис. 6. Энергию взрыва можно использовать для вращения колеса

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, е. 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.