МОТОР

Я знаю, что вам хочется поскорее совершить свой первый само­стоятельный полет, и я верю, что вы справитесь с этой задачей. Но прежде чем позволить вам этот полет, я считаю полезным, чтобы вы узнали побольше о коне, который возит вас по воздуху, т. е. о мо­торе.

Когда самолет движется с известной поступательной скоростью, воздух оказывает ему определенное сопротивление, называемое лобовым сопротивлением. Лобовое сопротивление преодолевается тягой воздушного винта. Эта тяга создается мотором, заставляющим винт делать известное число оборотов в минуту. Это означает, что мотор про­изводит определенную работу, переда­ваемую винту.

Рис. 111. Энергия может быть получена в различных формах. Водопад

рпл

представляет в конечном счете скрытую ш.- форму тепловой энергии. Эту скрытую в водопаде энергию мы не можем ис­пользовать в форме теплоты, но мы можем использовать ее для приведе­ния в движение водяной турбины, установленной на нижнем уровне водо — рис. пада.

Чем значительнее высота падения или разница между обоими уровнями и чем большее количество воды протекает в 1 минуту, тем больше энергии мы можем уловить. Чтобы получить энер­гию, необходимую ДЛЯ движения на — Рпс. шего самолета в воздухе, мы не можем взять с собой водопад, но мы можем взять бензин и использовать скрытую в нем энергию.

Рис. 112. Если мы поднимем 1 кг на высоту 1 м в течение 1 секунды, мы произведем работу, которую Принято Н4С

считать 8а единицу мощности, называемую килограммометром. Про­извести эту работу можно, только израсходовав определенное не­большое количество энергии.

Если мы вместо 1 кг поднимем на 0,3 м в секунду 250 кг, то мы выполним работу, равную одной лошадиной силе (рис. ИЗ). На рисунке для большей наглядности в качестве единицы измерения дан вес лошади, но не ее тяговая мощность.

Рис. 114. Если мы поднимем 75 кг на высоту 1 ж в 1 секунду, то снова совершим работу, равную одной лошадиной силе, как по­казано на рисунке.

На рис. 115 показано, как можно измерять лошадиную силу или любую ее долю. Если вы будете тащить нагруженную тележку и между вашей рукой и тележкой будет находиться динамометр, то вы всегда сможете определить, какую мощность вы затратили независимо от скорости и пройденного расстояния. Если динамо­метр показывает 24 кг, а вы прошли 30 ж в 2 минуты, то вы развили немного более 0,08 лошадиной силы. Однако, когда вы достигнете участка В—С, тяга становится равной 48 кг, а к концу 2 минут вы пройдете расстояние только в 15 м, что означает, что вы развили ту же мощность, что и в предыдущем случае.

Бензиновый мотор превращает тепловую энергию, образующуюся при сгорании бензина, в доступную для использования энергию на коленчатом валу. Мы измеряем вес с помощью основной единицы веса — килограмма, а длину — метрами. Мерой тепловой энергии является большая калория, равная количеству тепла, необходимого

для увеличения температуры одного килограмма дистиллированной воды на один градус (рис. 116).

Тепловая энергия бензина превращается в механическую энергию сжиганием в цилиндрах мотора паров бензина, смешанного с возду­хом. Пары бензина, сгорая в камере цилиндра, расширяются и тол­кают поршень от головки цилиндра. Прямолинейное движение поршня превращается во вращательное движение шатунами и коленчатым валом, передающееся в свою очередь воздушному винту.

В современном четырехтактном бензиновом моторе каждый взрыв в каждом из цилиндров происходит через два полных оборота колен­чатого вала.

Рис. 117. Впускной клапан открывается как раз тогда, когда поршень начинает двигаться от клапана. Во время этого движения (хода) поршня выпускной клапан закрыт и смесь воздуха и бензина стремительно поступает в цилиндр, заполняя все свободное про­странство.

Мы говорим, что эта смесь всасывается поршнем, хотя на са­мом деле смесь вталкивается в цилиндр атмосферным давлением: оно и понятно, так как движение поршня понижает давление внутри цилиндра по сравнению с атмосферным.

Рис. 118. Как только поршень закончит ход всасывания, впускной клапан закрывается (выхлопной клапан остается закры­тым), и поршень начинает ход сжатия. Поршень двигается по на­правлению к закрытым клапанам, причем в этот момент цилиндр заполнен смесью паров бензина с воздухом.

Рис. 119. В конце хода сжатия смесь паров бензина сжимается до такой степени, что на дно поршня и на всю поверхность цилиндра,

окружающую сжатую смесь, оказывает давление, равное приближенно 9—11 атмосфе­рам[7]. Это давление в разных моторах различно, в зависи­мости от их конструкции. По окончании хода сжатия смесь взрывается искрой от запаль­ной свечи; в этот момент го­рящие пары бензина оказы­вают давление, равное при­ближенно 40—45 атмосферам, и толкают поршень, переда­вая, таким образом, энергию на коленчатый вал. Вслед за рабочим ходом поршня вы­пускной клапан открывается как раз перед тем, как поршень достигнет нижней мертвой точки (рис. 120). Из открытого выпускного клапана горящая смесь вы­рывается во внешнюю атмо­сферу со скоростью до 40— 50 м/сек.

В момент вспышки па­ров бензина давление, ока­зываемое горящим газом, значительно больше, чем в конце хода сжатия. Когда поршень движется обратно, первоначальное давление, имевшееся в момент воспламенения газовой смеси, начинает падать и в конце рабочего хода поршня становится гораздо меньшим, чем первоначаль­ное давление, которое было равно 4—5 атмосферам. Рассчитывая мощность мотора, мы берем среднее действительное давление го­рящих паров бензина, которое представляет собой среднюю вели­чину между максимальным давлением в начале рабочего хода поршня и минимальным давлением в конце этого хода.

Рис. 121. Индикаторная мощность—это в сущности не что иное, как работа в килограммометрах, которую мотор может про­извести в секунду; или другими словами, не что иное, как число больших калорий, израсходованных и превращенных в работу в течение 1 секунды.

Рисунок иллюстрирует формулу, определяющую индикаторную мощность.

Существует известная разница между индикаторной мощностью и действительной мощностью, которую мы измеряем на конце колен­чатого вала. Последняя мощность меньше, чем индикаторная, так как за время передачи энергии расширяющейся газовой смеси от поршня на коленчатый вал часть ее поглощается при преодо­лении механического трения движущихся частей мотора. Чем выше действительная мощность данного мотора, тем выше коэ — фициент его полезного действия. Эффективная мощность не вычи­сляется, а определяется путем испытания мотора в условиях его работы.

Среднее эффективное давление в цилиндрах мотора в значитель­ной мере зависит от веса введенной в них бензиновой смеси, от правильной пропорции бензина и воздуха,.необходимой для полного сгорания смеси, и от степени сжатия: чем выше степень сжатия, тем больше и среднее эффективное давление. Степень сжатия ограни­чивается качеством сжигаемого горючего; это значит, что в моторах с более высокой степенью сжатия, в которых бензиновая смесь сжимается в камере сгорания под очень высоким давлением, следует,

в целях предупреждения взрыва, пользоваться горючим с более высоким октановым числом (об этом будет речь ниже).

Рис. 122. В то время как смесь паров бензина сжимается в ци­линдре, ее температура поднимается, примерно, до 425° С. В момент взрыва температура смеси поднимается до 1 925° С, а когда поршень приближается к концу рабочего хода, температура падает до 1 035° G. Из всей тепловой энергии бензина в моторе в форме механической энергии используется только 42%. Остальные 58% выбрасываются наружу через выпускной клапан и излучаются через ребра цилиндров в атмосферу. Но даже эти 42% тепловой энергии не могут быть полностью превращены в современном моторе в механическую энер­гию на конце коленчатого вала, так как 12% поглощаются при сжатии газовой смеси и около 4% теряется при преодолении механи­ческого трения. Таким образом, для нашей цели остается всего 26%. Когда мы насадим винт на носок коленчатого вала, то потеря энергии еще более увеличивается, так как коэфициент полезного действия винта только немногим превышает 80% (это будет объяснено ниже); вследствие этого действительная тепловая энергия бензина, пере­даваемая в форме силы тяги винта, равняется всего 20% всей тепло­вой энергии бензина.

Рис. 123. В то время как мощность мотора в основном зависит от факторов, показанных на рис. 121, существует много других факторов, определяющих силовую отдачу каждого данного мотора. Одним из этих факторов является надлежащее распределение смеси во всех цилиндрах при минимальных потерях от трения смеси о стенки всасывающего трубопровода. Я упоминаю об этом только для того, чтобы обратить ваше внимание на то, что хотя смесь и находится в газообразном состоянии и является летучей, все же она обладает известной вязкостью; эта вязкость в свою очередь вызывает большее или меньшее трение о стенки всасывающего трубопровода, в результате чего и получается некоторое замед­ляющее воздействие на смесь во время ее поступления в камеру сгорания.

Объем смеси, поступающей в цилиндр, всегда весит меньше, чем он весил в тот момент, когда смесь выходила из карбюратора. Эта разница определяет коэфициент наполнения мотора.

Рис. 124, А. Смесь, поступающая в цилиндры мотора, состоит из паров бензина и воздуха, смешанных между собой в определенной (весовой) пропорции. Соотношение бензина и воздуха в смеси мо­жет изменяться и регулироваться с таким расчетом, чтобы обеспе­чить полное сгорание. С повышением температуры любой смеси (рис. 124, В) ее объем увеличивается. Поэтому при одинаковых объемах смесь, имеющая более низкую температуру, будет более тяжелой. Это следует помнить при работе с бензиновым мотором. Если мотор перегрет, что означает также и перегрев всасывающего трубопровода, то вес готовой смеси, поступающей в цилиндры, будет меньше, что приведет к потере мощности мотора.

Рис. 125. На этом рисунке вы ясно можете увидеть, как отра­жается на мощности мотора соотношение бензина и воздуха в смеси. Одна весовая часть бензина, смешанная с 20 частями воздуха, даст бедную смесь, что и скажется в виде понижения мощности мотора

Рио. 1*3,

до минимума. Если это со­отношение будет изменено до 1 к 8, — что явится са­мой богатой смесью, — то мощность мотора также понизится, так как в этом рис. случае в смеси будет не-

І24

* достаточно воздуха, т. е. слишком мало кислорода для обеспечения полного процесса сгорания. Часть бензина выбрасывается наружу через выхлопной клапан. На том же ри­сунке показаны измене­ния мощности мотора при разных смесях, от самой рис. бедной до самой богатой, и воздействие этих смесей на мощность мотора.

Рис. 126. Когда горючая смесь всасывается в цилиндр мотора, она заполняет все пространство А, как только поршень закончит всасывающий ход. В конце сжимающего хода газовая смесь сжи­мается до наименьшего объема В. Отношение между объемами А и В дает степень сжатия данного мотора. Чем выше степень сжатия, тем больше единиц тепла используется для данной работы. Другими словами, при более высокой степени сжатия мотор работает с боль­шим коэфициентом полезного действия.

Чтобы показать влияние степени сжатия на мощность мотора, приведем следующий пример: мотор, имеющий степень сжатия, равную пяти, развивает 114 л. с. при расходе горючего 0,24 кг на 1 л. с./час (удельный расход горючего). Если мы увеличим степень сжатия этого же мотора до семи, то мощность его достигнет 135 л. с. при удельном расходе горючего 0,20 кг на 1 л. с./час. Другими словами, мотор мощ­ностью 135 л. с. будет сжигать 36 л бензина в час вместо 36,5 л, кото­рые сжигались этим же мотором при меньшей степени сжатия и мощ­ности всего в 114 л. с. Степень сжатия значительно ограничивается детонационными качествами горючего, о чем будет сказано ниже.

Рис. 127. Соотношение бензина и воздуха в смеси должно поддерживаться все время в пропорции, указанной на рис. 125

и являющейся наиболее вы­годной для развития над­лежащей мощности мотора.

Если бы мотор работал постоянно на земле и на одной и той же высоте, он всасывал бы для смеси воз­дух, обладающий практи­чески ПОСТОЯННОЙ ПЛОТНО — Рис.

126.

стыо, что означает постоян­ный вес на данный объем.

Но авиамотор работает в полете на различных высо­тах, имеющих различную плотность воздуха; вслед­ствие этого соотношение бензина и воздуха в смеси будет изменяться, если не Рис. поддерживать требуемого соотношения ручным спо­собом или автоматически. Плотность воздуха уменьшается с увеличе­нием высоты и на высоте 5 400 м равна половине плотности, наблюдае­мой на уровне моря. Если мотор работает на уровне моря и без всяких приспособлений для регулирования состава смеси, а затем будет подни­маться на все большую и большую высоту, то на высоте 500 м смесь начнет обогащаться и на высоте 1 000 м окажется значительно более богатой, чем была на уровне моря. Другими словами, полное сгора­ние будет невозможно, так как смесь будет содержать слишком много частиц бензина и недостаточно частиц воздуха. Это вызовет не только сильное уменьшение мощности мотора, но и сгорание зна­чительного количества горючего не внутри мотора, а в наружной атмосфере, куда оно будет выбрасываться через выхлопные клапаны.

Надлежащее соотношение горючего и воздуха в смеси можно поддерживать либо путем уменьшения притока горючего, поступаю­щего из карбюратора (рис. 127, ^4), либо подачей во всасываю­щий трубопровод большего количества воздуха, как показано на рис. 127, В. В первом случае уменьшение притока горючего дости­гается уменьшением атмосферного давления над поверхностью го­рючего в карбюраторе; это уменьшение атмосферного давления зависит от того, закрыто ли малое или большое отверстие или же оба.

Когда оба отверстия закрыты, налицо условия абсолютно бедной смеси. На рис. 125 показано приспособление, регулирующее состав смеси. По своему устройству оно напоминает клапан; с помощью этого устройства можно регулировать атмосферное давление в по­плавковой камере карбюратора, закрывая клапан совсем или же открывая его в требуемой степени, если для данной высоты необхо­дима более богатая смесь.

Когда регулирование состава смеси производится вручную, как это бывает в большей части маломощных моторов, следует устано­вить дроссель в определенное положение и заметить на счетчике оборотов (тахометре) число оборотов коленчатого вала в минуту. Затем начинают понижать содержание бензина в смеси до тех пор, пока число оборотов коленчатого вала, указываемое тахометром, не начнет падать. Тогда следует снова начать увеличивать содержание бензина в смеси, пока тахометр не начнет показывать то же число оборотов в минуту, что и в начале регулировки.

При моторе обычного типа вы сможете регулировать содержание смеси для наибольшей мощности на данной высоте; однако, с увели­чением высоты будет наблюдаться постоянное уменьшение мощности мотора, что обусловливается уменьшением плотности воздуха. Это уменьшение мощности идет более быстро, чем уменьшение плотности воздуха. На каждый килограмм горючего, сжигаемого мотором на уровне моря, требуется 15 кг воздуха. На высоте 5 400 м вес коли­чества воздуха, всасываемого в цилиндры, будет равняться половине веса воздуха, всасываемого на уровне моря, так как плотность воз­духа на этой высоте понизится вдвое. Если мы хотим сохранить наилучшее соотношение бензина и воздуха в смеси, мы должны при таком разреженном воздухе сжечь не 1 кг горючего, а только 0,5 кг. Поэтому, если мотор работает с максимальной нагрузкой в условиях разреженного воздуха, он не может развить ту же мощность, что на уровне моря. Если же на данной высоте мы будем поддерживать во всасывающих трубопроводах то же давление, какое было на уровне моря, то мотор сможет сжечь то же количество горючего, что и на уровне моря, развивая ту же мощность. А если создать давление, превышающее давление атмосферы на уровне моря, то на больших высотах можно поддерживать даже большую мощность. Это дости­гается с помощью нагнетателя, с которым мы познакомимся не­сколько позже.

Рис. 128.