Борьба за мощность

Инж. Ю. КЛЕЙНЕРМАН

В современной технике трудно указать на какой-либо другой агрегат, который подвергся бы за последние годы столь многочисленным мелким изменениям, как автомобильный двигатель. Не только каждый год, но буквально каждый месяц приносит какое-нибудь конструктивное улучшение.

Но, тем не менее, общие конструктивные формы бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, являющегося до сих пор основным типом двигателя для автотранспорта, остались почти неизменными с тех пор, как инж. Бенц впервые поставил на шасси своей «самоходной коляски» мотор, построенный Николаем Отто. Так же, как и первые автодвигатели, он состоит из блока цилиндров, в которых ходят поршни, передающие усилия на коленчатый вал через шатуны. Так же, как и в двигателе Отто, засасываемая в цилиндры горючая смесь сжимается поршнем, воспламеняется от запальника (чем теперь является по существу электрическая искра) и, расширяясь при сгорании, сообщает рабочий импульс поршню, от которого усилие передается на коленчатый вал. Так же, как и в двигателе Отто-Дейтца, выпуск отработанных газов осуществляется через клапан, который приводится в действие от распределительного вала, вращающегося вдвое медленнее коленчатого.

Чем же отличается современный автомобильный двигатель не только от двигателя Отто, но даже, например, от таких хорошо известных нам двигателей, как «Форд» или «ГАЗ»? По какому пути идет его усовершенствование?

Вот как монтируется двигатель на шасси автомобиля.

Разумеется, было бы просто невозможно перечислить все те мелкие изменения, которые вносятся сейчас в двигатели различных фирм. И не только потому, что они очень многочисленны. Дело в том, что сейчас во всем мире существует около тысячи различных моделей автомобильных двигателей, выпускаемых разными фирмами. Каждый год эти модели модернизируются, но не все, конечно, в равной степени. Одна фирма вводит, например, усовершенствование в систему смазки двигателя, другая — в систему распределения или питания горючим, третья — в систему зажигания.

Однако во всем многообразии конструктивных улучшений автодвигателя можно без труда подметить несколько основных и решающих моментов, которые характеризует собой прогресс современного автомобилестроения. На этих моментах мы и остановимся.

*

Мощность, бесшумность работы, износоустойчивость — вот те главнейшие требования, которые предъявляются к современным автодвигателям.

Увеличение мощности является, конечно, наиболее характерной чертой развития автомобильного двигателя. В 1926 г. около половины американских машин имели двигатель мощностью от 50 до 70 л. с., а более мощные моторы имели только 26% машин, но уже в 1932 г. первых было всего 14%, а вторых (с мощностью выше 70 л. с.) -— около 85%, а в 1937 г. более 90% американских машин имеют мощность свыше 70 л. с., причем есть и такие моторы, как новый «Дюзенберг», развивающий мощность до 320 л. с. Мощность советского двигателя «ЗИС-101» равна 110 л. с.

Существуют три основных пути увеличения мощности двигателя: увеличение литража (объема цилиндров), повышение среднего эффективного давления на поршень и увеличение числа оборотов коленчатого вала.

Казалось бы, что наиболее простой способ повышения мощности — это увеличение объема цилиндров. Однако это ведет за собой увеличение габаритов и веса двигателя, что особенно неприемлемо для транспортной машины. Увеличение литража отдельных цилиндров невыгодно и по другой причине: доказано, что цилиндры с малыми объемами имеют лучший отвод тепла и обеспечивают лучшие условия нагрузки на коленчатый вал и шатун. Поэтому современные конструкторы добиваются увеличения литража автодвигателя другим способом. Они уменьшают объем отдельных цилиндров, но зато увеличивают их число в двигателе, получая таким образом и увеличение мощности, и улучшение условий нагрузки на основные механизмы машины, другими словами, они добиваются увеличения так называемой литровой мощности, т. е. мощности, приходящейся на 1 л объема цилиндров.

Первый двигатель Николая Отто был одноцилиндровым. Примерно до 1920 г. большинство автомобильных двигателей имело четыре цилиндра. В период времени с 1921 по 1929 г. наиболее распространенным был шестицилиндровый двигатель, но уже в 1931 г. в США шестицилиндровых двигателей было всего только 30%, а подавляющее большинство машин (61,5%) имело восьмицилиндровые двигатели. В 1937 г. в Америке выпускаются только две модели четырехцилиндрового двигателя («Уиллис» и «Бантам»), около 40% шестицилиндровых и примерно 60% двигателей с восемью, двенадцатью и даже шестнадцатью цилиндрами.

Первый автомобильный двигатель Николая Отто был одноцилиндровый. Теперь автодвигатели имеют до 16 цилиндров. Вот один из современных автомобильных двигателей.

У нас в СССР сейчас выпускается восьмицилиндровый двигатель «ЗИС-101», а также шестицилиндровый «ЗИС-5». В начале 1938 г. на Горьковском автозаводе начнется выпуск новой модели шестицилиндрового двигателя «ГАЗ-М», который придет на смену уже несколько устаревшему четырехцилиндровому двигателю «М-1».

*

Наиболее эффективный способ повышения мощности — это увеличение степени сжатия, т. е. отношения объема всего цилиндра к объему той его части, где происходит сгорание топлива (камера сгорания). Следовательно, для того чтобы повысить степень сжатия, нужно уменьшить объем камеры сгорания, помещающейся обычно в головке цилиндра.

Повышение степени сжатия улучшает тепловую отдачу в двигателе. Принцип работы автомобильного двигателя заключается в том, что тепловая энергия топлива, поступающего в цилиндры, обращается в механическую работу. Однако в работу превращается вовсе не все тепло, которое выделилось при сгорании топлива, — значительная доля этого тепла уходит в воду, охлаждающую цилиндры двигателя, и еще большая часть тепла уходит с горячими выхлопными газами, образующимися после сгорания топлива. Все это составляет неизбежные потери тепла и характеризует термический коэффициент полезного действия двигателя.

Чем совершеннее конструкция двигателя, тем большая часть всего тепла переходит в работу, тем выше его мощность. Степень сжатия в этом отношении является весьма важным моментом: при повышении степени сжатия повышается термический коэффициент полезного действия, увеличивается среднее эффективное давление в двигателе, а следовательно, и его мощность.

Однако повышению степени сжатия ставит предел так называемая детонация: благодаря очень сильно повышающейся скорости сгорания топлива двигатель начинает стучать. Сущность явления детонации до сих пор еще не получила правильного научного объяснения, однако опытами точно установлено, что детонация в большой степени зависит от качества топлива, применяемого в двигателе. Существует даже так называемое «октановое число», которое характеризует склонность топлива к детонированию при определенных степенях сжатия.

Таким образом, возможное повышение степени сжатия определяется прежде всего качеством того топлива, на котором двигатель будет работать. Американцы за последние годы, применяя в качестве присадки специальные «антидетонаторы», значительно улучшили качество автомобильного бензина. Благодаря этому они получили возможность сильно повышать степень сжатия в двигателях. Еще в 1928 г. большинство машин имело степень сжатия не больше 5, в 1932 г. уже 90% американских машин имели степень больше 5, а в 1937 г. средняя степень сжатия достигла 6,15, при этом у нового «Форда» она равна 6,75, у «Плимута» — 6,70 и т. д.

Однако не только качество топлива определило возможность повышать степень сжатия. Существенную роль в этом отношении играют также и конструктивные элементы двигателя, в первую очередь форма камеры сгорания, а также материал и конструкция поршня. В частности, широкое применение нашла головка цилиндра, сконструированная известным американским инженером Рикардо. Она имеет компактную и гладкую форму, а свеча расположена примерно в центре камеры сгорания, что дает возможность пламени весьма быстро распространяться по всей камере. Характерная особенность камеры Рикардо заключается в том, что в ней образуются вихри, которые улучшают перемешивание паров топлива с воздухом перед сгоранием. Вихри получаются во время такта сжатия при движении поршня вверх. Горючая смесь, вытесняемая из цилиндра в камеру через щелевидное пространство между поршнем и опущенной частью днища головки, получает завихрение и поэтому сгорает быстрее и более полно.

Головка двигателя типа Рикардо. Ее форма благоприятствует процессам сгорания и позволяет повысить мощность двигателя. Характерная особенность камеры Рикардо — это способность ее образовывать вихри, что улучшает перемешивание паров топлива с воздухом перед сгоранием. Вихри получаются во время такта сжатия, при движении поршня вверх. Горючая смесь вытесняется из цилиндру в камеру через щелевидное пространство между поршнем и нижней, опущенной частью днища головки и завихряется.

Примерно подобная же камера применяется в советских двигателях «М-1» и «ЗИС-5».

Большое влияние на повышение степени сжатия оказало распространение поршней, сделанных из алюминиевого сплава. Основное преимущество алюминиевых поршней, помимо их легкости, заключается в том, что они более теплопроводны, чем чугунные. Благодаря этому тепло, воспринятое поршнем при сгорании, скорее отводится к стенкам цилиндра и далее в охлаждающую воду, а это улучшает общий процесс в двигателе и предохраняет от детонации. Алюминиевые поршни применяются в советских двигателях «ГАЗ» и «М-1».

Как известно, между поршнем и стенкой цилиндра в холодном состоянии должен быть зазор, так как при нагревании поршень расширяется больше, чем охлаждаемый водой цилиндр, и если бы этого зазора не было, то произошло бы «заедание» поршня в цилиндре. В этом отношении алюминиевые поршни имеют большой недостаток, так как при нагревании они расширяются значительно больше. Приходится поэтому предусматривать больший зазор. Это плохо отражается на работе двигателя при пуске или малых оборотах; поршни в этом случае еще недостаточно нагреты и поэтому «болтаются» в цилиндре, создавая стуки. Этот недостаток алюминиевых поршней удалось свести в новейших двигателях к минимуму. В нижней части поршня (так называемой юбке поршня) делают косой прорез, благодаря чему она получает возможность слегка пружинить. Это и позволяет делать меньшие зазоры, не опасаясь заедания поршня в цилиндре. Иногда, для того чтобы уменьшить перетекание тепла от днища поршня к юбке, последнюю отделяют от днища глубокой горизонтальной выточкой, которая способствует понижению температуры юбки и дает возможность уменьшить зазоры. Обычно выточка и косой разрез сочетаются, как, например, у поршней советского двигателя «М-1».

Чтобы уменьшить зазор между поршнем и стенками цилиндра, в нижней части поршня (так называемой юбке) делают косой разрез, благодаря чему юбка получает возможность слегка пружинить. На рисунке показан поршень с таким разрезом юбки; кроме того, поршень имеет специальную выточку, отделяющую его верхнюю часть от юбки. Благодаря этой выточке тепло перетекает от днища поршня к юбке менее интенсивно, температура последней понижается и зазор между поршнем и цилиндром может быть сделан меньшим.

Одним из усовершенствований в области легких поршней являются поршни «Боналайт». В юбку этих поршней залиты пластины из специального сплава, называемого инваром. Инваровые пластины отличаются тем, что при нагревании почти не изменяют своих размеров, благодаря чему ограничивается и тепловое расширение юбки. Это позволяет делать меньшие зазоры между поршнем и стенкой цилиндров и не опасаться стуков при запуске холодного двигателя.

В этом поршне сделана глубокая выточка, разделяющая днище от юбки, а также разрез юбки, но уже не косой, а вертикальный. Отличительной же особенностью этого поршня являются залитые в него пластины из специального сплава — инвара. Инвар при нагревании почти не расширяется, поэтому тепловое расширение юбки, плотно связанной инваровыми пластинами, сильно ограничивается. Это и позволяет оставлять между поршнем и цилиндром меньший зазор.

Последней новинкой в области поршней являются так называемые биметаллические поршни, изготовляемые из двух металлов, например, днище из алюминия, а юбка из чугуна. Несмотря на большие преимущества, которые сулит подобная конструкция, она широкого распространения еще не получила, — слишком сложна технология производства таких поршней.

На большинстве современных двигателей, кроме алюминиевых поршней, устанавливаются алюминиевые головки цилиндров. Часто в головку заливается медная вставка, которая снабжена с обратной стороны ребрами. Такая вставка способствует еще лучшей отдаче тепла охлаждающей воде. Это также позволяет увеличить степень сжатия и, следовательно, мощность двигателя.

Мы перечислили только наиболее распространенные способы повышения степени сжатия. Помимо них существует еще множество мелких конструктивных способов.

Чтобы улучшить наполнение цилиндров горючей смесью, часто делают подвесные клапаны. На рисунке показаны расположение такого клапана и схема привода его в действие. Во время хода всасывания (или выхлопа) кулачок распределительного вала, вращающегося вдвое медленнее коленчатого, приподнимает левое плечо коромысла, благодаря чему правое его плечо отжимает клапан вниз. Когда такт всасывания (или выхлопа) закончен, кулачок вала перестает поднимать левое плечо коромысла, и пружина возвращает клапан на место.

В современных двигателях часто делают так называемые подвесные клапаны, входящие в камеру горения не снизу, а сверху. Привод этих клапанов от кулачкового вала осуществляется обычно не прямо через толкатель, а через целую систему рычагов. В некоторых конструкциях двигателей удается расположить сверху также и распределительный вал, благодаря чему можно значительно упростить всю систему рычагов или даже совсем отказаться от них. Подобное расположение клапанов имеет двигатель советского легкового автомобиля «ЗИС-101».

В некоторых конструкциях двигателей удается расположить сверху также и распределительный вал, благодаря чему можно значительно упростить всю систему рычагов или даже совсем отказаться от них.

Верхнее расположение клапанов дает возможность сделать камеру сгорания более компактной, улучшить наполнение цилиндров горючей смесью, т. е. соответственно повысить среднее эффективное давление и мощность.

На рисунке показан один из наиболее современных двигателей — «Шевроле» выпуска 1937 г.

Четырехтактный двигатель мощного мотоцикла. Как видите, он мало отличается от малолитражного автодвигателя с воздушным охлаждением.

Вот двигатель малолитражного автомобиля, имеющий не водяное, а воздушное охлаждение. На рисунке видно, что стенки цилиндров снабжены ребрами, отводящими тепло в окружающий воздух. Видна также конструкция верхнего расположения клапанов, которые приводятся в действие через целую систему рычагов от кулачкового вала, расположенного внизу.

*

Читателю, возможно, покажется странным, что при повышении мощности двигателя одновременно увеличивается и его износоустойчивость, т. е. срок службы. Казалось бы, что должно быть наоборот, ведь повышение мощности требует большего напряжения деталей, ставит их в более трудные условия работы и т. д.

Какой автомобиль износится больше при прохождении этого участка?

Разберемся в этом вопросе подробнее. Предположим, что мы проезжаем какой-то участок на автомобиле с определенной скоростью и нагрузкой. Если автомобиль наш маломощный, то двигатель его работает «на пределе», развивая максимум того, что он может. Болей же сильная машина имела бы при этом еще какой-то запас мощности и была бы далека от достижения своего предела. Теперь спрашивается: какой же автомобиль износится больше за время прохождения этого участка? Ясно, что маломощный, так как он работал на пределе и претерпевал слишком высокие для него напряжения. Вот почему увеличение мощности автомобиля ведет к повышению его износоустойчивости, к удлинению сроков его службы.