0,048 секунды | ТМ 1938-04

Доцент Б. ЧЕРНОМОРДИК

В 1894 г. один из парижских журналов объявил конкурс на «экипаж без лошадей, который окажется безопасным и удобным в обращении и дешевым в поездке».

На старт пробега Париж—Руан явилось сто два экипажа, но после технического осмотра к испытаниям было допущено только пятьдесят. Первым пришел в Руан паровой автомобиль Дион с котлом Серполе. 126 км, отделяющих Руан от Парижа, были пройдены им в пять часов сорок минут с максимальной скоростью в 22 км/час. Вторым пришел автомобиль Пежо с двигателем Даймлера. Это была последняя победа парового автомобиля и первое напоминание о себе его нового конкурента — двигателя внутреннего сгорания.

С тех пор гоночные состязания сделались традицией. Двигаться как можно быстрее — вот основная цель конструкторов; высокая скорость — это важнейший показатель хорошего качества машины.

В следующем, 1895 г. на гонках Париж—Бордо—Париж максимальную скорость в 30 км/час показал Ловассор. В 1935 г. рекорд скорости, достигнутый Кемпбеллом, равнялся уже 482 км/час. В авиации скоростной рекорд поставил итальянец Аджелло — 709,2 км/час.

Нас поражают эти цифры, но мы знаем, что это не предел. Полеты на больших высотах, где сильно уменьшается сопротивление воздуха, позволят достичь еще больших скоростей.

И у самолета Аджелло и у автомобиля Кемпбелла билось одно и то же сердце — двигатель внутреннего сгорания. Именно работой этого сердца обусловлен успех современного авиа-автостроения и его дальнейшее развитие.

В 80-х годах прошлого столетия примитивный механический экипаж с мотором мощностью 1,5 л. с. развивал скорость 15 км/час. На трехколесном автомобиле «Боле» с усовершенствованным мотором и пневматическими шинами скорость была доведена до 40 км/час. Уже в 1901 г. автомобиль «Мерседес», снабженный мотором в 35 л. с., показал скорость 86 км/час, а гоночный автомобиль Бенца, построенный в 1909 г., покрыл в час 152 км. 330 км/час — вот скорость, с которой прошел с разгона 1 милю на своей машине английский гонщик Кемпбелл в 1928 г. Уже в 1935 г. Кемпбелл на новой машине с мотором в 2500 л. с., установил новый мировой рекорд — 485 км/час. Но и этот рекорд побит в конце 1937 г. английским гонщиком Эйстоном, который прошел на автомобиле 1 милю с разгона со скоростью 502 км/час.

Легко понять и ощутить скорость в быстро летящем самолете. Значительно труднее почувствовать ее в спокойно работающем, уравновешенном моторе.

Однако даже неглубокий анализ явлений, происходящих внутри цилиндров современного двигателя внутреннего сгорания, убеждает нас в том, что отдельные фазы рабочего процесса протекают в двигателе с огромными скоростями. За неподвижной оболочкой блока цилиндров происходят удивительные вещи; десятой и даже сотой доли секунды достаточно для того, чтобы успела полно совершиться целая цепь явлений. Отдельные детали мотора двигаются со скоростями и ускорениями, которые даже и не снились жюль-верновским героям при полете на луну. Какие же это скорости?

*

Вспомним давно известную схему четырехтактного цикла Отто. Основные детали двигателя: цилиндр, поршень, всасывающий и выхлопной клапаны. При первом ходе поршня из верхнего мертвого положения в нижнее всасывающий клапан открыт. Благодаря этому рабочая смесь засасывается в цилиндр. Это первый такт цикла Отто. Следующий, второй такт — сжатие рабочей смеси — происходит при возвращении поршня в верхнюю мертвую точку. При этом всасывающий клапан уже закрыт. Сжатая смесь поджигается специальной электросвечой, продукты сгорания расширяются, и под их давлением поршень снова возвращается в нижнее положение. Поршень совершил третий ход, и процесс этот называется третьим тактом. Четвертый такт — выхлоп. Поршень под влиянием силы инерции маховика движется верх и выталкивает продукты сгорания через открывшийся в это время выхлопной клапан. Таким образом, во время четырехтактного рабочего процесса двигателя — всасывания, сжатия, расширения и выхлопа — поршень два раза поднимается и два раза опускается, а коленчатый вал делает два оборота.

Возьмем двигатель внутреннего сгорания с числом оборотов 2500 в минуту и подсчитаем продолжительность отдельных фаз цикла. Выбранное нами число оборотов не является слишком большим, так как в мотоциклетных двигателях оно нередко достигает 4—5 тыс.

Но если вал двигателя делает 2500 об/мин, то один оборот он делает в 0,024 секунды. Следовательно, каждый такт продолжается 0,012 секунды. При первом ходе поршня, когда происходит засасывание, воздух насыщается парами бензина, образует рабочую смесь и заполняет ею объем цилиндра. Для того чтобы все это могло совершиться в очень короткий промежуток времени, воздух должен обладать огромными скоростями передвижения на всем пути, от карбюратора до всасывающих клапанов.

Через диффузор карбюратора воздух проходит со скоростью около 70 м/сек. Там он насыщается мельчайшими капельками топлива, затем проходит через всасывающий клапан со скоростью 35—80 м/сек (в зависимости от числа оборотов вала двигателя).

Интересно, что скорость перемещения даже очень сильного урагана (11—12 баллов) не превышает 40—50 м/сек.

Скорость рабочей смеси во всасывающем клапане доходит до 80 м/сек. Это почти вдвое превосходит скорость 12-бального ураганного ветра, которая равна 40—50 м/сек.

Однако этот короткий путь, между карбюратором и всасывающим клапаном, не является спокойным для рабочей смеси. При нормальной скорости воздуха в трубопроводе 40 м/сек диаметр капелек распыленного карбюратором топлива достигает 11—30 микрон. Чем меньше диаметр капельки и больше скорость воздуха., тем меньше топлива оседает на стенках трубопровода и тем больше его испаряется во время полета. При малой скорости потока на стенках трубопровода оседает большое количество капель, и топлива в рабочей смеси становится меньше. Осевшие капли образуют пленку, испарение с которой идет значительно медленнее, чем со сфероидальной поверхности, какую имеет летящая капля.

Но вот наконец достигнут всасывающий клапан. Близка цель путешествия рабочей смеси — цилиндр двигателя. Клапан приподнимается, чтобы пропустить рабочую смесь. Высота его подъема не превышает 10—20 мм. Этот путь клапан проходит с небольшой скоростью (2—3 м/сек), но ускорение его при этом достигает 1000—1500 м/сек²!

Ускорение всякого свободно падающего тела равно 9,81 м/сек². Ускорение клапана двигателя внутреннего сгорания равно 1000—1500 м/сек².

Итак, цилиндр заполнен рабочей смесью, первый такт цикла закончен. Начинается второй такт — сжатие. Оно продолжается, как мы уже подсчитали, 0,012 секунды. В течение этого ничтожно малого промежутка времени, на сжимаемую смесь действуют два противоположных фактора, которые должны решить дальнейшую судьбу капелек топлива. При сжатии объем смеси уменьшается в 4—5 раз, а давление и температура соответственно возрастают. Увеличение температуры смеси способствует испарению распыленных капелек горючего, а увеличение давления, наоборот, вызывает конденсацию, т. е. превращает снова в жидкость уже испарившееся топливо. Эта борьба двух противоположных факторов продолжается в течение всего хода сжатия, и победа определяется выбором вида топлива. Так, например, при работе на бензине побеждает температура, и к моменту запала почти все топливо успевает испариться, что является большим достоинством бензина.

При рассмотрении теоретического цикла Отто принимают, что сгорание протекает при постоянном объеме смеси, т. е. в тот момент, когда поршень находится в крайнем верхнем положении (начало третьего такта). Но это соответствовало бы действительности только в том случае, если бы скорость сгорания была бесконечно велика. В действительности эта ответственная часть рабочего цикла далека от скоростных рекордов. Скорость распространения пламени в двигателе не превышает 25 м/сек. Таким образом, сгорание рабочей смеси протекает не при постоянном объеме, так как поршень успевает опуститься прежде, чем сгорит весь газ.

Если рабочую смесь сжать слишком сильно, скорость сгорания в двигателе может достичь 1 тыс. м/сек, а давление — возрасти до 100—140 ат. Явление это, которое называется детонацией, чрезвычайно вредно для двигателя и способно вывести машину из строя.

При сгорании смеси давление повышается. В нормально работающем двигателе за время, в течение которого коленчатый вал успевает повернуться на 1°, давление повышается на 3 ат. Но время это очень мало. Так, если двигатель делает 2 500 об/мин, вал его поворачивается на 1° за 0,00007 секунды. Следовательно, если бы повышение давления смеси продолжалось хотя одну секунду, оно достигло бы 42857 ат! К счастью для двигателя, рост давления не продолжается больше 0,004—0,005 секунды.

Температура газов в конце сгорания достигает 2500°. Естественно, что при таких температурах происходит чрезвычайно интенсивный теплообмен между продуктами сгорания и стенками цилиндра. И действительно, тепловая нагрузка двигателя достигает 700 тыс. кал/м² час. Это значит, что с одного квадратного метра поверхности двигателя в течение одного часа передается от сгоревших газов к стенкам цилиндра до 700 тыс. калорий. Интересно, что с одного квадратного метра поверхности парового котла в течение одного часа передается от продуктов сгорания к стенкам всего лишь 7 тыс. калорий.

Отработанные газы должны быть удалены из цилиндра, чтобы дать место новой порции рабочей смеси. Для этого в конце третьего такта (расширения) открывается выхлопной клапан, и газы со скоростью около 700 м/сек врываются в глушитель. При этом поршень возвращается в исходное верхнее мертвое положение и выталкивает остатки продуктов сгорания.

0,048 секунды — вот время, в течение которого полностью совершаются в двигателе все рассмотренные нами явления. Если прибавить к этому, что сложнейшая физико-химическая подготовка смеси перед вспышкой, которая называется «запаздыванием воспламенения», занимает «целых» 0,002—0,005 секунды, то беглый обзор рабочего процесса машины будет более или менее полный. Итак, двигатель внутреннего сгорания несет в самом себе огромные скорости. Заставляя двигаться самолет или автомобиль со скоростью, исчисляемой сотнями метров в секунду, он сам живет напряженной и четкой жизнью, в которой каждая тысячная доля секунды имеет большое значение и всегда на счету.