Рис. 5. Одноцилиндровый карбюраторный четырехтактный двигатель
Процесс превращения тепловой энергии в механическую работу в двигателе можно сравнить с аналогичным процессом в пистолете. Да, да, в обыкновенном пистолете! Представьте себе заряженный пистолет. Стрелок нажимает на спусковой крючок. Боек бьет по капсюлю. Капсюль взрывается, воспламеняя порох. Образующиеся при сгорании газы давят с огромной силой во все стороны. Пуля вылетает из ствола (рис. 6).
Рис. 6. Схема превращения тепловой энергии в механическую: а - в пистолете; б - в цилиндре
В чем же сходство описанного процесса с процессом в двигателе? Да в том, что роль гильзы выполняет цилиндр, пули — поршень, капсюля свеча зажигания, пороха — рабочая смесь. Итак, искра воспламеняет рабочую смесь, а расширяющиеся газы перемещают поршень вдоль оси цилиндра.
Находящийся в цилиндре поршень шарнирно при помощи поршневого пальца связан с верхней головкой шатуна и может перемещаться вдоль оси цилиндра. Нижняя головка шатуна закреплена на шатунной шейке коленчатого вала. Две другие шейки (коренные) коленчатого вала закреплены в подшипниках в картере двигателя. Поэтому при работе поступательное движение поршня вдоль оси цилиндра преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Этот процесс преобразования можно сравнить с работой велосипедиста: его коленный сустав (поршень) движется почти по прямой, голень же. выполняющая роль шатуна, совершает колебательные движения, приводя во вращение педаль и звездочку, которая в данном случае выступает в качестве коленчатого вала (рис. 7).
Рис. 7. Схема кривошипно-шатунного механизма
Другой наглядный пример работы кривошипно-шатунного механизма — вращение рукой коловорота. Здесь ручку и сверло можно считать коренными подшипниками коленчатого вала, а рука выполняет роль шатуна.
Вернемся снова к одноцилиндровому карбюраторному четырехтактному двигателю, изображенному на рис. 5. Как видите, с основными деталями вы уже знакомы. Теперь давайте договоримся о названии (терминологии) некоторых объемов, размеров, пространств, которые понадобятся нам в дальнейшем.
При вращении коленчатого вала поршень в цилиндре совершает возвратно-поступательные движения между двумя крайними положениями, в которых он изменяет направление движения (рис. 8). Эти положения называются нижней и верхней мертвыми точками (НМТ и ВМТ). Расстояние между этими точками называют ходом поршня. Один ход поршня соответствует процессу в цилиндре, получившему название такт. В четырехтактном двигателе он совершается за пол-оборота коленчатого вала (180°).
Рис. 8. Схема определения рабочего объема цилиндра
Теперь вы подготовлены для легкого усвоения принципа работы одноцилиндрового двигателя. Рассмотрим все такты двигателя в установленной последовательности. Возьмем рукоятку, соединим ее с коленчатым валом и начнем вращать.
Первый такт — впуск. Предположим, что поршень находится в верхней мертвой точке (рис. 9, а). При вращении коленчатого вала поршень идет вниз к нижней мертвой точке, открывается впускной клапан, открывая канал, соединенный с прибором (карбюратором), приготовляющим горючую смесь. Над поршнем создается разрежение, под действием которого горючая смесь поступает и заполняет цилиндр. Выпускной клапан в это время закрыт. Такт впуска необходим для заполнения цилиндра горючей смесью.
Рис. 9. Схема работы одноцилиндрового двигателя: а - впуск; б - сжатие; в - рабочий ход.; г - выпуск
За счет чего же образуется разрежение?
Возьмите велосипедный насос и слегка прикройте пальцем отверстие, в которое ввертывается шланг. Если теперь выдвинете ручку вместе с поршнем из насоса, то почувствуете, что палец втягивается в отверстие. Почему? Да потому, что место, освобождаемое поршнем насоса, стремится занять воздух, который устремляется через отверстие, прикрытое пальцем.
При движении поршня в замкнутом пространстве цилиндра то же количество молекул воздуха под поршнем занимает больший объем, т. е. плотность воздуха уменьшается, увеличивается разрежение и когда открывается канал, горючая смесь устремляется в цилиндр.
В конце такта впуска при работе прогретого двигателя с полной мощностью давление в цилиндре составляет 0,08—0,09 МПа (0,8—0,9 кгс/см²) при температуре 80—120°C.
Второй такт — сжатие (рис. 9, б). Оба клапана закрыты, поршень, пройдя нижнюю мертвую точку и изменив направление, идет вверх. Горючая смесь, поступившая в цилиндр, сжимается при проворачивании вала: для его проворачивания приходится прикладывать значительные усилия. Объем смеси уменьшается в зависимости от конструкции двигателя в 6,5—8,9 раза, давление возрастает до I 1,2 МПа (10—12 кгс/см²), температура увеличивается до 350 400°C. Следовательно, для сгорания смеси созданы благоприятные условия.
Третий такт расширение (рабочий ход) (рис. 9, а), такт, ради которого шла вся подготовительная работа. В течение этого такта происходит воспламенение рабочей смеси электрической искрой, ее сгорание и расширение нагретых до 2200—2500°C газов. Клапаны закрыты. Газы оказывают на поршень давление, равное 3,5—4 МПа (35— 40 кгс/см²). Под действием его поршень идет вниз, поворачивая коленчатый вал и совершая механическую работу. Часть энергии накапливается маховиком, которая в дальнейшем используется для проведения подготовительной работы. Таким образом, основная цель рабочего хода — преобразование энергии сгорания топлива в механическую работу.
Четвертый такт —выпуск (рис. 9, г). Впускной клапан закрыт, выпускной открыт. Поднимающийся от нижней мертвой точки к верхней поршень выталкивает через выпускной канал в атмосферу отработавшие газы. В конце выпуска давление уменьшается до 0,105—0,120 МПа (1,05—1,2 кгс/см²), а температура до 700—900°C.
Рассмотренные четыре такта повторяются в строгой последовательности в процессе работы двигателя. Совокупность этих тактов, периодически повторяющихся в строгой (описанной нами выше) последовательности, называется рабочим циклом.
Мы только что рассмотрели протекание процессов в цилиндре. Поршень после рабочего хода пришел в нижнюю мертвую точку. Его необходимо снова вернуть вверх, причем не просто вернуть, но и проделать определенную работу по удалению отработавших газов из цилиндра и подготовке к следующему рабочему ходу. Всю эту работу выполняет деталь двигателя — маховик.
Вспомните, как во время ремонта велосипеда вы не раз ставили его вверх колесами и раскручивали их. Проделайте это еще раз. Раскрутите колесо без шины и попробуйте рукой остановить его. Если то же проделаете с колесом с шиной, вы сразу заметите, что при той же частоте вращения сделать это намного труднее. Если попробуете остановить колесо мотоцикла или автомобиля, то убедитесь, что сделать это еще труднее. Почему? Да потому, что чем больше диаметр и масса колеса, тем оно больше накапливает кинетической энергии. Именно за счет ее маховик проделывает всю вспомогательную работу: большая масса маховика способствует накоплению большого количества энергии, быстрому выполнению всех вспомогательных процессов и равномерной работе двигателя.
Итак все вспомогательные такты выполняются за счет накопленной энергии маховика. А как быть, если двигатель не работает, а его нужно пустить? В этом случае двигатель можно будет пустить только за счет приложения внешней силы, например, за счет проворачивания коленчатого вала пусковой рукояткой либо стартером — электродвигателем.
Одноцилиндровый двигатель обладает значительным количеством недостатков, главными из которых следует считать большую неравномерность работы и сравнительно малую мощность. Объясняется это тем, что из четырех тактов (два оборота коленчатого вала) всего один рабочий. В связи с этим на современных автомобилях одноцилиндровые двигатели не применяют.