Техника в учебнике физики представлена скромно. Но многие обожают возиться с моторами, а потому есть смысл рассказу о двигателях уделить несколько больше времени, чем положено по плану, и с учетом того, что в классе могут находиться знатоки…

Работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) обычно поясняют при помощи модели (рис. 1).

Она достаточно ясна, но… несколько устарела. Как только ДВС появился на свет, его сразу стали пытаться сделать легче и компактнее. В значительной мере эти параметры связаны со скоростью вращения вала: чем она выше, тем компактнее мотор. А нижнее расположение клапанов, которое показано на этой модели, не позволяет быстро наполнить цилиндр смесью. Потому, несмотря на простоту, от такой схемы давно отказались. Сегодня в быстроходных двигателях клапаны ставят на верхней крышке цилиндра (рис. 2).

Как лучше впускать рабочую смесь и выпускать отработавшие газы — до конца не ясно и сегодня. В одном из самых экономичных двигателей (рис. 3) английской фирмы «Аспин» это делалось при помощи вращающегося золотника. Построенный в 1938 году двигатель расходовал всего 134 г бензина на л.с. в час. В серию он не пошел. Но более экономичного двигателя никто не построил и по сей день. Сегодня такой способ газораспределения применяется в моторах гоночных автомобилей. Золотник компактен и хорошо работает при больших скоростях, но более трудоемок в изготовлении, чем клапан, и потому применяют его редко. И золотник, и клапан, располагаясь на крышке, увеличивают габариты двигателя. В авиации, например, это неприемлемо.

Рис. 3

Оригинально решил вопрос в 30-е годы английский инженер-двигателист А. Рикардо. Он сделал двигатель с гильзовым распределением. В обычных двигателях гильза — это тонкостенная трубка из износостойкого материала, запрессованная в алюминиевый блок. Рикардо сделал ее подвижной. Она стала открывать впускные и выпускные окна, проделанные в стенке цилиндра. Подобное пытались делать и до него. Гильза двигалась прямолинейно вверх-вниз вдоль оси цилиндра, прекрасно выполняла свою задачу, но быстро изнашивалась даже при обильной смазке. Рикардо нашел причину износа. В верхних и нижних точках гильза останавливалась, и в этих местах пленка масла разрывалась. Дальнейшее движение происходило в основном по-сухому. Лишь в конце очередного хода масляная пленка начинала восстанавливаться, чтобы тут же разорваться…. Рикардо избежал этого тем, что гильза у него никогда не останавливалась. Для этого он придал ей дополнительно небольшое колебательно-вращательное движение (рис. 4).

Каждая точка на поверхности гильзы непрерывно описывала эллипс, и масляная пленка никогда не разрывалась. Двигатель получился компактным и долговечным. Во время войны англичане выпустили несколько десятков тысяч таких двигателей для своих тяжелых бомбардировщиков.

Клапаны, гильзы, золотники — все это обязательные элементы четырехтактных двигателей. Между тем, есть двигатели двухтактные. В них распределение производится при помощи поршня, который открывает и закрывает окна в стенке цилиндра (рис. 5).

Так бывают устроены самые простые двухтактные двигатели, например, авиамодельные или велосипедные. Важную роль выполняет полость, расположенная под поршнем. При ходе поршня вверх в нее засасывается из карбюратора смесь воздуха с топливом. Двигаясь вниз после открывания впускных окон, поршень выжимает находящуюся под ним смесь в цилиндр. Там она должна бы сгорать, но… значительная часть ее, до 50–80 %, вылетает через выхлопную трубу. И с этим ничего не удается сделать. Такова плата за простоту!

Каждый тип двигателя завоевал себе прочное место под солнцем. Мотор авиамодели, газонокосилки или мопеда должен быть легким и простым в изготовлении. Высокий расход топлива в таких случаях не пугает. Ведь газонокосилка порою работает всего несколько часов в сезон, а авиамодельный — и вовсе минуты.

Но не все двухтактные двигатели столь просты. На танках, морских судах и тепловозах применяют двигатель с двумя поршнями в каждом цилиндре. Его предложил в начале прошлого века немецкий профессор X. Юнкере (рис. 6.).

Здесь кривошипы соединены зубчатой передачей и вращаются синхронно. Но фазы их не совпадают, поэтому поршни начинают как бы играть в догонялки. Расстояние между ними меняется. Проходя мимо впускных и выпускных окон, поршни совершают рабочие такты. Воздух в цилиндры подается при помощи продувочного насоса. Такие двигатели занимают мало места, легки и экономичны.

На рисунке 7 показана демонстрационная модель подобного двигателя, выполненная из оргстекла. Синхронизация вращения кривошипов производится при помощи зубчатого ремня от автомобиля.

Отметим, что принцип «два поршня в одном цилиндре» использован и в двигателе Стирлинга. Разъяснение его работы возможно с помощью приведенной модели.

Особый интерес представляют роторные ДВС. В них расширение продуктов сгорания так перемещает детали двигателя, что вал начинает вращаться. Поршней и кривошипно-шатунного механизма в их обычной форме здесь нет. Первый патент на двигатель такого рода взял еще Д.Уатт. Сегодня их число достигает многих тысяч. Но лишь один роторный двигатель доведен до уровня серийного производства. Его создал в конце 50-х годов XX века немецкий профессор Ф.Ванкель.

Работа двигателя основана на качении под действием давления газов подвижного ротора по внутренней поверхности криволинейного корпуса-статора (рис. 8).

Рис. 7

Ротор выполняет в то же время роль поршня. Расположенная внутри его шестерня с внутренним зубом соединена с шестерней на конце вала.

При вращении ротора циклически меняются три серповидных объема между ним и статором. В левой половине происходит сгорание, расширение и выпуск отработавших газов, в правой — впуск и сжатие рабочей смеси. За один оборот ротора совершается три четырехтактных рабочих цикла. По такой схеме сегодня выполняются автомобильные двигатели. Они чрезвычайно легки и компактны, но отличаются высоким расходом топлива и очень сложны в изготовлении. По этим причинам применяются они редко.

Демонстрационная модель роторного двигателя в серийном производстве могла бы стоить копейки, но при ее самостоятельном изготовлении встретится немало трудностей. На рисунке 9 изображена плоская модель роторного двигателя со связью ротора и вала через эксцентрик. Она предназначена для демонстрации при помощи кодоскопа.

В заключение скажем, что двигатель внутреннего сгорания существует уже более ста сорока лет. За это время над его улучшением успели поработать многие миллионы специалистов — от вдумчивого рабочего до академика. Поэтому каждая деталь в нем вылизана до предела, но не зря же говорят, что совершенству предела нет.

А ИЛЬИН

Рисунки автора