Почему?

Почему же лишь столь небольшую часть полученной при сгорании топлива энергии удается выделить в виде полезной работы? С этого «почему» начинается всякое творческое мышление. Здесь, как в медицине, правильный диагноз во многом способствует успешному лечению болезни. К сожалению, ответов на наши «почему» слишком уж много, но один из них заслуживает внимания.

Вспомним, что большая часть тепла уходит на нагревание стенок цилиндра. Конечно, нелепо было бы мечтать о том, чтобы стенки цилиндра вообще не нагревались, соприкасаясь с газами, температура которых, как уже говорилось, превышает тысячу градусов. Но хотя бы несколько уменьшить количество тепла, отдаваемого стенкам, все-таки можно.

Присмотритесь внимательно, как загорается спичка. Сначала, сразу после того, как вы чиркнули о стенку коробка, светящаяся точка появляется лишь на самом кончике головки спички. Головка сделана из специальной смеси, в состав которой входит легковоспламеняющееся вещество — сера. Когда мы чиркаем спичкой о стенку коробка, вещество головки нагревается от трения, достигает температуры воспламенения и воспламеняется или, проще говоря, загорается. Но загорается лишь та часть головки, которая непосредственно касалась стенки при чиркании. Теперь температура вещества поддерживается уже за счет горения. Нагреваются близлежащие слои и воспламеняются, таким образом процесс горения распространяется на всю головку. На то, чтобы горение охватило все вещество головки, требуется определенное время. Зажгите несколько спичек — л вы убедитесь, что все происходит именно так, как мы только что рассказали.

То же самое происходит и в камере сгорания двигателя. После проскакивания электрической искры нагреваются и воспламеняются лишь те части бензино-воздушной смеси, которые оказываются в непосредственной близости от свечи. Они в свою очередь нагревают близлежащие слои, и так далее, пока процесс горения не охватит всю смесь, находящуюся в камере сгорания. На это также требуется определенное время. Поэтому мы и говорили об опережении зажигания.

Пока горение охватывает лишь небольшую часть смеси, находящуюся около свечи, давление газов практически не повышается, и поршень может еще некоторое время подниматься. Аналогичным образом изменяется и температура бензино-воздушной смеси. Она относительно невелика, когда процесс горения только начинается; достигает своего максимального значения, когда горением охвачена вся смесь, и начинает снова понижаться, когда часть бензина в смеси уже сгорела, а остатки, как говорится, догорают.

Нагревание бензино-воздушной смеси и газов, которые образовались в результате сгорания, сопровождается, как мы уже не раз говорили, повышением давления этих газов. Давление совершает механическую работу.

Так что же происходит? В результате горения мы получаем, по существу, два хоть и тесно связанных между собой, но в то же время самостоятельных явления. С одной стороны, повышается температура, с другой стороны, повышается давление. Рассуждая с точки зрения коэффициента полезного действия, мы могли бы сказать так: то, что повышается температура, — это плохо, потому что именно благодаря высокой температуре газов тепло передается стенкам цилиндра, а затем уходит в атмосферу. А вот то, что повышается давление, — это хорошо. Давление выполняет полезную для нас работу. Идеальным был бы такой двигатель, в котором давление повышалось бы, а температура — нет. Но это невозможно. Смысл работы двигателя внутреннего сгорания в том и состоит, что именно тепловая энергия, получаемая от топлива, преобразуется в механическую.

Можно поставить вопрос иначе. Раз уж мы не в состоянии (точнее, почти не в состоянии) влиять на температуру, то давайте попробуем получить хотя бы максимально возможное количество механической работы. Мы знаем, что количество механической работы, совершаемой движущимся телом, численно равно произведению расстояния, на которое передвинулось тело, на силу, действующую на это тело.

В нашем случае движущееся тело — это поршень. Расстояние, на которое передвигается поршень, от нас не зависит, оно определяется конструкцией двигателя, а точнее, длиной кривошипа. А сила? Из всего сказанного нами следует, что сила, с которой газы давят на поршень, все время меняется. Она мала в начале рабочего хода, достигает своего максимального значения примерно в середине и затем постепенно убывает по мере приближения поршня к нижней мертвой точке. Ясно, что, если бы эта сила все время оставалась постоянной, количество совершенной поршнем работы увеличилось бы.

И вот тут мы подходим к самому главному. Вспомним еще раз про спичку. Момент зажигания спички мы можем устанавливать как угодно: пока не чиркнули — спичка не горит, чиркнули — загорелась. Но после того как чиркнули, дальнейшие процессы полностью выходят из-под нашего контроля. Воспламенение головки происходит само по себе и определяется составом вещества, из которого сделана головка, и его концентрацией.

То же самое происходит в камере сгорания. Момент зажигания устанавливаем мы, располагая должным образом кулачок на распределительном валу. А дальше процесс воспламенения происходит как бы сам по себе. Отдельные капельки бензина в смеси загораются и, нагреваясь, поджигают соседние. Ясно лишь одно: чем ближе расположены друг к другу отдельные капельки бензина в смеси или, другими словами, чем больше степень сжатия, тем скорее воспламеняется вся смесь.

Казалось бы, мы нашли очень простой рецепт. Надо больше сжимать горючую смесь во время такта сжатия, как говорят, повышать степень сжатия. Тогда процесс горения будет происходить быстрее и коэффициент полезного действия повысится.

Однако не тут-то было. В который раз на страницах наших рассказов мы вынуждены напечатать большими буквами НО, сопроводив его большим восклицательным знаком. В данном случае это НО состоит в следующем. Большинство процессов в природе обладает так называемым свойством обратимости. Нагреваем воду — она превращается в пар. Пар отдает тепло, охлаждается и снова превращается в воду. Поднимаем камень — затрачиваем на это работу, которая превращается в потенциальную энергию. Отпускаем камень — он падает и совершает работу, например, по выдавливанию лунки в земле, расходуя накопленную потенциальную энергию. Подобных примеров можно было бы привести много.

До сих пор работа всех наших двигателей, начиная с двигателя пушкомобиля, основывалась на том, что, если нагреть газ, его давление повышается. Справедливо и обратное: если сжимать газ, повышая тем самым его давление, одновременно будет повышаться и температура газа.

К свойству обратимости мы еще вернемся, а пока ясно следующее. Когда во время такта сжатия бензино-воздушная смесь сжимается, повышается ее давление, а следовательно, и температура. Если температура повысится слишком сильно, бензино-воздушная смесь вспыхнет сама по себе, причем совсем не в тот момент, когда это нужно. Подобное явление в бензиновых двигателях получило название детонации. Именно поэтому в четырехтактных бензиновых двигателях степень сжатия нельзя увеличивать выше четырех-пяти.

Как же быть? На этот вопрос ответил немецкий инженер Рудольф Дизель, сконструировавший свой двигатель (двигатель Дизеля, или просто дизель) в конце XIX века. Двигатель Дизеля показан на рисунке.

Почти все здесь нам знакомо. Есть поршень, цилиндр, шатун, вал с кривошипом и маховиком, впускной и выпускной клапаны. Все эти механизмы взаимодействуют точно так же, как в бензиновом двигателе, поэтому мы попросили художника не показывать на рисунке шестеренку с кулачками, приводящую в движение клапаны.

Дизель, как и бензиновый двигатель, совершает те же четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход, выхлоп. Отличие лишь в том, что во время такта всасывания в камеру сгорания засасывается не бензин, а чистый воздух. Затем следует такт сжатия, в процессе которого воздух сжимается, причем не в четыре-пять раз, как в бензиновом двигателе, а значительно больше: раз в одиннадцать-двенадцать.

В результате столь сильного сжатия температура воздуха поднимается до 500—600 градусов Цельсия: И вот теперь, когда поршень уже почти достиг крайнего верхнего положения, с помощью специального насоса (посмотрите снова на рисунок) через устройство, смонтированное в крышке камеры и называемое форсункой, в камеру впрыскивается топливо; Топливо вспыхивает от соприкосновения с горячим воздухом, а дальше — рабочий ход, затем выхлоп отработавших газов.

Детонации не происходит потому, что до самого последнего момента в камере сгорания просто нечему гореть. Кроме того, в камеру сгорания подаются не пары топлива, а жидкое топливо. Поэтому и топливо может быть, как говорят инженеры, более тяжелым, то есть хуже испаряющимся. В качестве топлива для дизелей обычно используют керосин со специальными добавками (его так и называют — дизельное топливо), а для очень мощных дизелей — нефть или мазут.

Разве может что-нибудь существенно измениться от того, зажигаем мы горючую смесь электрической искрой или за счет соприкосновения с горячим воздухом? Оказывается, может, и очень существенно. Во-первых, в дизелях топливо воспламеняется не постепенно (как головка спички), а сразу.

Действительно, ведь здесь нет необходимости передавать тепло от одной частицы топлива к другой. Каждая частица соприкасается с горячим воздухом и вспыхивает сама по себе, независимо от своих соседок.

Во-вторых, и это самое главное, топливо вводится в камеру сгорания постепенно. Поэтому давление в камере сразу достигает своего максимального значения и сохраняет это значение почти до самого конца рабочего хода. В течение всего рабочего хода сила, вызываемая давлением, остается постоянной. Температура та же, а количество получаемой механической работы, соответственно, увеличивается.

И вот результат: коэффициент полезного действия у дизелей доходит до тридцати восьми — сорока процентов. Казалось бы, немного. Сорок — вместо двадцати пяти, или на пятнадцать процентов больше, чем у бензинового двигателя. Но давайте подсчитаем. В 1975 году добыча нефти в нашей стране достигла 500 миллионов тонн. Если повысить коэффициент полезного действия двигателей на пятнадцать процентов, то, соответственно, пятнадцать процентов общего количества нефти будет затрачиваться на совершение полезной работы, а не на нагревание атмосферы. Пятнадцать процентов от пятисот миллионов — это семьдесят пять миллионов тонн — целое море нефти.