Горючую смесь надо чем-то воспламенить. Воспламенение производится электрической искрой, которая появляется в свече зажигания, ввернутой в головку цилиндра.
Поршень при помощи стального стержня-шатуна соединен с валом, имеющим изгиб — колено. Это коленчатый вал с кривошипом. Коленчатый вал вращается в подшипниках. На одном конце коленчатого вала насажено массивное колесо, которое называется маховиком.
Если мы станем поворачивать коленчатый вал с того положения, когда поршень находится в верхней мертвой точке, то колено будет уходить в сторону и через шатун потянет поршень вниз. Это будет происходить до тех пор, пока поршень не пройдет половину пути. Продолжая движение, колено повернется вниз, а поршень достигнет мертвой точки. Коленчатый вал повернется на 180°, поршень опустится вниз. Из нижнего положения коленчатый вал будет, продолжая движение, поворачиваться вверх. Конечно, и поршень пойдет вверх из н. м. т. в в. м. т. Расстояние от в. м. т. до н. м. т. называется ходом поршня.
Объем цилиндра, заключенный между мертвыми точками, называется рабочим объемом. Его принято измерять в кубических сантиметрах. Сумма объемов камеры сгорания и рабочего объема называется полным объемом цилиндра.
Четыре такта
Мы уже знаем, что для того, чтобы двигатель мог работать, надо сначала зарядить его горючей смесью.
Как же это делается? Поставим поршень в верхнюю мертвую точку и станем вращать коленчатый вал. Поршень будет уходить вниз, и пространство над ним увеличится. Давление воздуха в цилиндре станет меньше атмосферного. В цилиндре образуется разрежение. Одновременно с этим открывается впускной клапан, и горючая смесь, приготовленная в особом приборе — карбюраторе, быстро заполнит цилиндр (рис. 20).
Рис. 20. Рабочий цикл четырехтактного двигателя.
Процесс заполнения цилиндра горючей смесью получил название такта впуска.
Коленчатый вал за это время повернется на 180°, и впускной клапан закроется. Цилиндр «заряжен». Но поршню некуда «лететь», так как дальше н. м. т. он никуда не может уйти. Вспомните двигатель Ленуара. Газ сжигался после того, как он заполнял цилиндр. Двигатель был неэкономичным, «пожирателем газа». Необходимо перед воспламенением смеси сжать ее — коэффициент полезного действия двигателя от этого значительно повысится.
Коленчатый вал продолжает подниматься кверху и толкает поршень. Горючая смесь сжимается. Давление и температура ее повышаются. Сжатие будет закончено, когда поршень придет в верхнюю мертвую точку.
У современных двигателей давление в конце сжатия достигает 8 атмосфер и более, а температура —300° и выше. Само собою разумеется, что впускной и выпускной клапаны при этом закрыты.
Процесс сжатия горючей смеси называется тактом сжатия. Коленчатый вал за это время повернется на 180°.
Смесь можно сжимать в несколько раз. Узнать, во сколько раз сжата смесь, легко. Для этого надо разделить полный объем цилиндра на объем камеры сгорания. Получится отвлеченная величина, которая называется степенью сжатия. При более высокой степени сжатия лучше идет процесс горения. Чем сильнее сжата смесь, тем больше мощность двигателя. В современных мотоциклетных двигателях степень сжатия составляет примерно 5–6, а у гоночных достигает 9,5 и больше.
Сжатую смесь надо воспламенить. Это делается при помощи электрической искры. Температура в цилиндре повышается до 2000 °C, а давление — более чем до 20 атмосфер. Под действием давления газов поршень начинает быстро двигаться вниз, с силой давя на шатун. Этот процесс называется тактом расширения, или рабочим тактом. Рабочий такт происходит на протяжении хода поршня от в. м. т. до н. м. т. Коленчатый вал за это время повернется на 180°. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Тепловая энергия, выделяемая сгоревшим топливом, превратилась в механическую работу. Вместо горючей смеси в цилиндре создались продукты горения — отработавшие газы. Надо очистить от них цилиндр и освободить место для свежей смеси. Когда поршень придет в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан. Так как давление газов, хотя и понизилось в конце рабочего такта, все же выше атмосферного, то часть газов сразу же устремляется наружу. Продолжая вращаться, коленчатый вал толкает поршень вверх. Идя вверх, поршень выталкивает газы через выпускной канал, ускоряя очистку цилиндра. Когда поршень придет в верхнюю мертвую точку, цилиндр очистится от отработавших газов.
Процесс очистки цилиндра от отработавших газов называется тактом выпуска. Такт выпуска происходит на протяжении хода поршня от н. м. т. до в. м. т. За это время коленчатый вал повернется на 180°. Цилиндр снова можно заряжать горючей смесью.
Такты последовательно повторяются. Сумма этих последовательно повторяющихся тактов получила название рабочего цикла двигателя. Двигатель, в котором рабочий цикл происходит за четыре такта, называют четырехтактным. Весь цикл происходит за два оборота коленчатого вала. По такому циклу работает двигатель мотоцикла М-72.
Вдумайтесь в работу этого двигателя. Из четырех тактов только один — рабочий такт — дает энергию для вращения коленчатого вала. Только при рабочем такте теплота превращается в механическую работу. Чтобы могли совершаться такты впуска, сжатия, выпуска, надо затратить работу — значит коленчатый вал должен вращаться.
Откуда же берется энергия для вращения вала? Эту энергию дает маховик.
Проделайте простой опыт. Попробуйте с одинаковой силой толкнуть два шарика. Но вес одного из них должен быть раза в три больше веса другого. Легкий шарик быстро сдвинулся с места, но остановить его легче. Тяжелый шарик толкнуть труднее и труднее остановить.
Газы с силой давят на поршень только во время рабочего хода, т. е. один такт из четырех. Почему же коленчатый вал движется равномерно, а не рывками? Главная роль в этом принадлежит маховику. Маховик — тяжелая и большая деталь. Трудно сдвинуть ее с места. Зато, вращаясь по инерции, коленчатый вал с маховиком обеспечивают равномерное движение поршня. Маховик делает вращение коленчатого вала более плавным.
Два такта
Есть двигатели, у которых весь рабочий цикл происходит за два хода поршня, за один оборот коленчатого вала. Это двухтактные двигатели (рис. 21).
Рис. 21. Рабочий цикл двухтактного двигателя.
Они устанавливаются на многих мотоциклах и мотороллерах, например ИЖ-56, К-55, М-1-М, «Вятка»-150 и «Тула»-200.
Как же они работают? Цилиндр двухтактного двигателя имеет несколько окон: впускное, два перепускных и выпускное. Иногда бывает одно перепускное окно. Через впускное окно горючая смесь из карбюратора поступает в картер двигателя.
Перепускные окна служат для перепуска горючей смеси из картера в цилиндр двигателя.
А через выпускное окно отработавшие газы выходят наружу.
Предположим, что поршень находится в верхней мертвой точке.
Смесь при этом сжата. Горючая смесь у двухтактного двигателя поступает в нижнюю часть двигателя — картер и заполняет его. В это время впускное окно открыто. Поршень, идя от нижней мертвой точки к верхней, уходит от картера. В картере давление падает — образуется разрежение. Сжатая в цилиндре над поршнем смесь воспламеняется. Поршень идет вниз. Отойдя на некоторое расстояние от в. м. т., он открывает выпускное окно. Отработавшие газы немедленно устремляются наружу. Начинается процесс очистки цилиндра. Двигаясь вниз, поршень оказывает давление на горючую смесь, находящуюся в картере. Давление в картере повышается. Поршень открывает перепускные окна, смесь из картера по перепускным каналам быстро двигается в верхнюю часть цилиндра и заполняет его. Но в цилиндре еще много отработавших газов. Свежая смесь направляется в камеру сгорания и выталкивает оттуда оставшиеся продукты горения. Цилиндр окончательно очищается.