0,048 секунды
Интересная винтажная статья,которая, думаю, заинтересует коллег.
В 1894 г. один из парижских журналов объявил конкурс на
«экипаж без лошадей, который окажется безопасным и удобным в обращении и дешевым в поездке».
На старт пробега Париж–Руан явилось сто два экипажа, но после технического осмотра к испытаниям было допущено только пятьдесят. Первым пришел в Руан паровой автомобиль Дион с котлом Серполле. 126 км, отделяющих Руан от Парижа, были пройдены им в пять часов сорок минут с максимальной скоростью в 22 км/час. Вторым пришел автомобиль Пежо с двигателем Даймлера. Это была последняя победа парового автомобиля и первое напоминание о себе его нового конкурента – двигателя внутреннего сгорания.
С тех пор гоночные состязания сделались традицией. Двигаться как можно быстрее – вот основная цель конструкторов; высокая скорость – это важнейший показатель хорошего качества машины.
В следующем, 1895 г. на гонках Париж – Бордо – Париж максимальную скорость в 30 км/час показал Ловассор. В 1935 г. рекорд скорости, достигнутый Кемпбэллом, равнялся уже 482 км/час. В авиации скоростной рекорд поставил итальянец Аджелло – 709,2 км/час.
Нас поражают эти цифры, но мы знаем, что это не предел. Полеты на больших высотах, где сильно уменьшается сопротивление воздуха, позволят достичь еще больших скоростей.
И у самолета Аджелло и у автомобиля Кемпбэлла билось одно и то же сердце – двигатель внутреннего сгорания. Именно работой этого сердца обусловлен успех современного авиа-автостроения и его дальнейшее развитие.
Легко понять и ощутить скорость в быстро летящем самолете. Значительно труднее почувствовать ее в спокойно работающем, уравновешенном моторе.
Однако даже неглубокий анализ явлений, происходящих внутри цилиндров современного двигателя внутреннего сгорания, убеждает нас в том, что отдельные фазы рабочего процесса протекают в двигателе с огромными скоростями. За неподвижной оболочкой блока цилиндров происходят удивительные вещи; десятой и даже сотой доли секунды достаточно для того, чтобы успела полно совершиться целая цепь явлений. Отдельные детали мотора двигаются со скоростями и ускорениями, которые даже и не снились жюльверновским героям при полете на луну. Какие же это скорости?
Вспомним давно известную схему четырехтактного цикла Отто. Основные детали двигателя: цилиндр, поршень, всасывающий и выхлопной клапаны. При первом ходе поршня из верхнего мертвого положения в нижнее всасывающий клапан открыт. Благодаря этому рабочая смесь засасывается в цилиндр. Это первый такт цикла Отто. Следующий, второй такт – сжатие рабочей смеси – происходит при возвращении поршня в верхнюю мертвую точку. При этом всасывающий клапан уже закрыт. Сжатая смесь поджигается специальной электросвечой, продукты сгорания расширяются, и под их давлением поршень снова возвращается в нижнее положение. Поршень совершил третий ход, и процесс этот называется третьим тактом. Четвертый такт – выхлоп. Поршень под влиянием силы инерции маховика движется вверх и выталкивает продукты сгорания через открывшийся в это время выхлопной клапан. Таким образом, во время четырехтактного рабочего процесса двигателя – всасывания, сжатия, расширения и выхлопа – поршень два раза поднимается и два раза опускается, а коленчатый вал делает два оборота.
Возьмем двигатель внутреннего сгорания с числом оборотов 2500 в минуту и подсчитаем продолжительность отдельных фаз цикла. Выбранное нами число оборотов не является слишком большим, так как в мотоциклетных двигателях оно нередко достигает 4–5 тыс.
Но если вал двигателя делает 2500 об/мин, то один оборот он делает в 0,024 секунды. Следовательно, каждый такт продолжается 0,012 секунды. При первом ходе поршня, когда происходит засасывание, воздух насыщается парами бензина, образует рабочую смесь и заполняет ею объем цилиндра. Для того чтобы все это могло совершиться в очень короткий промежуток времени, воздух должен обладать огромными скоростями передвижения на всем пути, от карбюратора до всасывающих клапанов.
Через диффузор карбюратора воздух проходит со скоростью около 70 м/сек. Там он насыщается мельчайшими капельками топлива, затем проходит через всасывающий клапан со скоростью 35–80 м/сек в зависимости от числа оборотов вала двигателя. Интересно, что скорость перемещения даже очень сильного урагана (11–12 баллов) не превышает 40–50 м/сек.
Однако этот короткий путь, между карбюратором и всасывающим клапаном, не является спокойным для рабочей смеси. При нормальной скорости воздуха в трубопроводе 40 м/сек диаметр капелек распыленного карбюратором топлива достигает 11–30 микрон. Чем меньше диаметр капельки и больше скорость воздуха, тем меньше топлива оседает на стенках трубопровода и тем больше его испаряется во время полета. При малой скорости потока на стенках трубопровода оседает большое количество капель, и топлива в рабочей смеси становится меньше. Осевшие капли образуют пленку, испарение с которой идет значительно медленнее, чем со сфероидальной поверхности, какую имеет летящая капля.
Но вот наконец достигнут всасывающий клапан. Близка цель путешествия рабочей смеси – цилиндр двигателя. Клапан приподнимается, чтобы пропустить рабочую смесь. Высота его подъема не превышает 10–20 мм. Этот путь клапан проходит с небольшой скоростью (2–3 м/сек), но ускорение его при этом достигает 1000–1500 м/сек²!
Итак, цилиндр заполнен рабочей смесью, первый такт цикла закончен. Начинается второй такт – сжатие. Оно продолжается, как мы уже подсчитали, 0,012 секунды. В течение этого ничтожно малого промежутка времени на сжимаемую смесь действуют два противоположных фактора, которые должны решить дальнейшую судьбу капелек топлива. При сжатии объем смеси уменьшается в 4–5 раз, а давление и температура соответственно возрастают. Увеличение температуры смеси способствует испарению распыленных капелек горючего, а увеличение давления, наоборот, вызывает конденсацию, т. е. превращает снова в жидкость уже испарившееся топливо. Эта борьба двух противоположных факторов продолжается в течение всего хода сжатия, и победа определяется выбором вида топлива. Так, например, при работе на бензине побеждает температура, и к моменту запала почти все топливо успевает испариться, что является большим достоинством бензина.
При рассмотрении теоретического цикла Отто принимают, что сгорание протекает при постоянном объеме смеси, т. е. в тот момент, когда поршень находится в крайнем верхнем положении (начало третьего такта). Но это соответствовало бы действительности только в том случае, если бы скорость сгорания была бесконечно велика. В действительности эта ответственная часть рабочего цикла далека от скоростных рекордов. Скорость распространения пламени в двигателе не превышает 25 м/сек. Таким образом, сгорание рабочей смеси протекает не при постоянном объеме, так как поршень успевает опуститься прежде, чем сгорит весь газ.
Если рабочую смесь сжать слишком сильно, скорость сгорания в двигателе может достичь 1 тыс. м/сек, а давление – возрасти до 100–140 атм. Явление это, которое называется детонацией, чрезвычайно вредно для двигателя и способно вывести машину из строя.
При сгорании смеси давление повышается. В нормально работающем двигателе за время, в течение которого коленчатый вал успевает повернуться на 1°, давление повышается на 3 атм. Но время это очень мало. Так, если двигатель делает 2500 об/мин, вал его поворачивается на 1° за 0,00007 секунды. Следовательно, если бы повышение давления смеси продолжалось хотя одну секунду, оно достигло бы 42 857 атм! К счастью для двигателя, рост давления не продолжается больше 0,004–0,005 секунды.
Температура газов в конце сгорания достигает 2500°. Естественно, что при таких температурах происходит чрезвычайно интенсивный теплообмен между продуктами сгорания и стенками цилиндра. И действительно, тепловая нагрузка двигателя достигает 700 тыс. кал/м²×час. Это значит, что с одного квадратного метра поверхности двигателя в течение одного часа передается от сгоревших газов к стенкам цилиндра до 700 тыс. калорий.. Интересно, что с одного квадратного метра поверхности парового котла в течение одного часа передается от продуктов сгорания к стенкам всего лишь 7 тыс. калорий.
Отработанные газы должны быть удалены из цилиндра, чтобы дать место новой порции рабочей смеси. Для этого в конце третьего такта (расширения) открывается выхлопной клапан, и газы со скоростью около 700 м/сек врываются в глушитель. При этом поршень возвращается в исходное верхнее мертвое положение и выталкивает остатки продуктов сгорания.
0,048 секунды – вот время, в течение которого полностью совершаются в двигателе все рассмотренные нами явления. Если прибавить к этому, что сложнейшая физикохимическая подготовка смеси перед вспышкой, которая называется «запаздыванием воспламенения», занимает «целых» 0,002–0,005 секунды, то беглый обзор рабочего процесса машины будет более или менее полный. Итак, двигатель внутреннего сгорания несет в самом себе огромные скорости. Заставляя двигаться самолет или автомобиль со скоростью, исчисляемой сотнями метров в секунду, он сам живет напряженной и четкой жизнью, в которой каждая тысячная доля секунды имеет большое значение и всегда на счету.
источник: доцент Б. Черномордик «0,048 секунды» // Техника-молодежи 1938-04, с. 38–40
