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 но 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, на что тратится тепловая энергия
от сгорания бензина.
Рис. 111. Энергия может быть получена в различных формах. Водопад представляет в конечном счете скрытую форму тепловой энергии. Эту скрытую и водопаде энергию мы не можем использовать в форме теплоты, но мы можем использовать ее для приведения в движение водяной турбины, установленной на нижнем уровне водопада. Чем значительнее высота падения, или разница между обоими уровнями, и чем большее количество воды протекает в минуту, тем больше энергии мы можем получить. Чтобы получить энергию, необходимую для движения нашего самолета в воздухе, мы не можем взять с собой водопад, но мы можем взять бензин и использовать скрытую в нем тепловую энергию. Рис. 112. Если мы поднимем 1 кг на высоту) 1 м, мы произведем работу, которую принято считать за единицу, называемую килограммометром. Если произвести эту работу в течение 1 секунды, то мы затратим мощность в один килограммометр в секунду.
Если мы вместо 1 кг поднимем на 1 м в 1 секунду 75 кг, то мы затратим мощность в одну лошадиную силу (рис. 113).
Рис. 114. Если мы поднимем 4500 кг на высоту 1 м в 1 минуту, то снова затратим мощность в одну лошадиную силу, как показано на рисунке.
На рис. 115 показано, как можно измерять мощность в лошадиных силах (л. с.). Если вы будете тащить нагруженную тележку и между вашей рукой и тележкой будет находиться динамометр, то вы всегда сможете определить, какую мощность вы затратили, каковы бы ни были скорость и пройденное расстояние. Если динамометр показывает 24 кг, а вы прошли 30 м в 2 минуты, то вы развили мощность 0,08 лошадиной силы. Когда вы достигнете подъема С-I), тяга становится равной 48 кг, но 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 анергию, образующуюся при сгорании бензина, в доступную для использования энергию па 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 анергии бензина превращается в механическую энергию сжиганием в цилиндрах мотора паров бензина, смешанных с воздухом. Пары бензина, сгорая в камере цилиндра, образуют газы, которые, расширяясь, толкают поршень от головки цилиндра. Прямолинейное движение поршня превращается шатунами и коленчатым
палом по вращательное движение, 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 засасывается 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 примерно 8,5 атмосферы1. 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 примерно 42 атмосферам, и толкают поршень, передавая таким образом энергию на коленчатый вал. Вслед за рабочим ходом поршня выпускной клапан открывается как
1 Т. е. давление и 8,5 раза больше нормального атмосферного давления. - Ред.
раз перед том, как поршень завершит о вой полный ход (рис. 120). Из
открытого выхлопного клапана газы сгоревшей смеси вырываются во внешнюю атмосферу со скоростью около 45 м/сек.
В момент вспышки паров бензина давление, оказываемое газом сгоревшей смеси, значительно больше, чем в конце хода сжатии. Когда поршень движется обратно, первоначальное давление, имевшееся в момент воспламенения горючей смеси, начинает , падать и в конце рабочего хода поршня становится гораздо меньшим, чем первоначальное давление, которое было равно 42 атмосферам. Рассчитывая мощность мотора, мы берем среднее эффективное давление газов сгоревшей смеси, 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 и секунду; или, другими словами, не что иное, как число больших калорий, израсходованных и превращенных в работу и течение 1 секунды.
Рисунок иллюстрирует формулу, определяющую индикаторную мощность.
Существует известная разница между индикаторной мощностью и действительной (эффективной) .мощностью, которую мы измеряем на носке коленчатого вала. Последняя мощность .меньше, чем индикаторная, так как за время передачи энергии расширяющихся газов от поршня на коленчатый вал часть ее погло-
щается при преодолении механического трения движущихся частей мотора. Чем выше эффективная мощность данного мотора, тем ниже коэффициент 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 горючей смеси, от правильной пропорции бензина и воздуха, необходимого 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 горючая смесь сжимается в камере сгорания под очень высоким давлением, следует
в целях предупреждения детонации пользоваться горючим с более высоким октановым числом (об этом будет речь ниже).
Рис. 122. В то время как смесь паров бензина сжимается и цилиндре, ее температура поднимается примерно до 425° С. В момент взрыва температура газов поднимается до 1925° С, а когда поршень приближается к концу рабочего хода, температура падает до 1035° С. 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 цилиндрик и атмосферу. Но даже эти 42% тепловой энергии не могут быть полностью превращены в современном моторе в механическую энергию на носке коленчатого вала, так как 12% поглощаются при сжатии горючей смеси и около 4% теряются 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 увеличится, так как коэффициент полезного действия пинта только немногим превышает 80% (это будет объяснено ниже); «следствие этого действительная тепловая энергия бензина, затрачиваемая на создание тяги пиита, 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 по всем цилиндрам при минимальных потерях от трения смеси о стенки всасывающего трубопровода. Упоминая об этом, я хочу обратить наше внимание на то, что хотя смесь и находится и газообразном
состоянии и является летучей, все же она обладает известной мягкостью; эта вязкость в свою очередь вызывает большее или меньшее трение о стенки всасывающего трубопровод», в результате чего и получается некоторое; замедляющее воздействие на смесь во время ее поступления в камеру сгорания. Бес смеси, поступающей в цилиндр, всегда меньше, чем вес ее и том же объеме в тот момент, когда смесь выходила из карбюратора. Эта разница определяет коэффициент наполнения мотора.
Рис. 124, .4. Смесь, поступающая в цилиндры мотора, состоит на паров бонанца 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 до минимума. Если это соотношение будет изменено до 1:8, - что явится самой богатой смесью, - то мощность мотора также понизится, так как в этом случае в смеси будет недостаточно воздуха, т. е. слишком мало кислорода для обеспечения процесса полного сгорания, и часть бензина выбросится наружу через выхлопной клапан. На том же рисунке показаны изменения мощности мотора при разных смесях, от самой 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 горючая 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 коэффициентом 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 1л. с, ч. (удельный расход горючего). Если мы увеличим степень сжатия итого же мотора до семи, то мощность его достигнет 135 л. с. при удельном расходе горючего 0,20 кг на 1 л.с.ч. Другими словами, мотор мощностью 135 л. с. будет сжигать 30 л бензина в час вместо 30,5 л, которые сжигались этим же мотором при меньшей степени сжатия и мощности всего и 114 л. с. Степень сжатии значительно ограничивается детонационными свойствами 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 у земли и па одной и той же высоте, он всасывал бы для смеси воздух, обладающий практически постоянной плотностью, что означает постоянный вес на данный объем. Но авиамотор работает в полете на различных высотах, при переменной плотности воздуха; вследствие итого соотношение бензина и воздуха в смеси будет изменяться, если не поддерживать требуемого соотношении, ручной регулировкой или автоматически.
Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты и на высоте 5500 м равна половине плотности, наблюдаемой на уровне моря. Если мотор работает ни 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 1000 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. Ото 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. А), 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, подается абсолютно бедная смесь. 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 13 кг воздуха. Па высоте 5500 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 и 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. Л если создать давление, превышающее давление атмосферы на уровне моря, то на больших высотах можно поддерживать даже большую мощность. Ото достигается с помощью нагнетателя, о которым мы познакомимся несколько позже.
