Изобретаем заново моторный транспорт
Настанет день, когда возрождающаяся цивилизация достигнет того уровня развития металлургии и технического конструирования, при котором возможно производство двигателей. Если сообщество откатилось к тягловым животным и парусам, как ему заново создать двигатель внутреннего сгорания, не располагая образцами, пережившими апокалипсис? Как устроено сердце, бьющееся под капотами наших машин?
Двигатель внутреннего сгорания — отличная иллюстрация того, что сложный механизм — это не более чем совокупность простых узлов самого разного происхождения, организованных неким новым образом для решения той или иной насущной задачи. Если бы можно было содрать с семейного авто металлическую шкуру и рассечь его, как живой организм, то внутри обнаружилось бы множество устройств и агрегатов, взаимодействующих, как органы и ткани в человеческом организме.
Каковы же главные принципы работы автомобиля и как собрать машину с нуля?
В главе 8 мы разобрали принцип работы двигателя внешнего сгорания: паровая машина движется за счет нагнетания в цилиндры пара из котла, который нагревается сожжением топлива. Гораздо более эффективный способ высвобождения химической энергии, заключенной в топливе, — это исключить посредника и заставить толкать части машины сам горячий газ, образующийся при сожжении. Если малое количество топлива перед воспламенением поместить в замкнутый объем цилиндра, взрывным расширением высвободившегося горячего газа можно будет вытолкнуть поршень и совершить полезную работу. Повторяя такой цикл по нескольку раз в секунду, получаем надежный и точный процесс развития мощности. Чтобы подготовить цилиндр к следующему взрыву, открывается клапан, и цилиндр вдавливается обратно, вытесняя, как шприц, отработанный газ, а затем вновь оттягивается, чтобы в цилиндр через другой клапан всосалась новая порция топлива. Перед воспламенением ее еще нужно немного сжать, чтобы она стала плотнее и нагрелась. Этот четырехтактный цикл и есть быстро пульсирующее сердце абсолютного большинства двигателей внутреннего сгорания.
Есть два способа поджечь топливо, поданное в цилиндр, и в этом состоит разница между современным бензиновым и дизельным двигателями. Летучие жидкости типа этанола (или бензина) можно превратить в газ, перед впрыском смешав их с воздухом в карбюраторе, а затем воспламенить электрической искрой пусковой свечи. Смеси более тяжелых углеводородных молекул, например дизельное топливо, можно вдувать в цилиндр в состоянии тонкой капельной взвеси в конце такта сжатия, чтобы испарить и воспламенить одновременно путем резкого подъема температуры в цилиндре за счет резкого сжатия воздуха. (Всякий, кто трогал патрубок ножного насоса после накачки колеса, замечал, как он нагревается от нагнетаемого воздуха.) Или же, как мы видели в начале этой главы, можно питать двигатель непосредственно газом, нагнетаемым в цилиндры.
Но чтобы машина двигалась вперед, нужно преобразовать возвратно-поступательное движение поршней в равномерное вращение, которое можно передать на колеса или пропеллер. Осуществляет это необходимое преобразование кривошип, как и в велосипеде. Кривошип в механизмах часто используется в паре с поворотным шатуном, соединяя элемент, совершающий возвратно-поступательное движение, с вращающимся валом (у велосипеда роль шатуна, соединенного с кривошипом педалей, исполняют ноги седока). Самое ранее известное нам применение этого полезнейшего механизма — римское водяное колесо (III в.), где кривошип преобразовывал вращение толкаемого рекой колеса в возвратно-поступательный ход пил на пилораме.
В современных моторах, объединяющих работу множества поршней, этот механизм слегка модифицирован — там есть коленчатый вал, состоящий из нескольких гнутых звеньев, составленных так, чтобы ход поршней вращал вал. Но несколько цилиндров, даже если они выполняют рабочий цикл в заданной последовательности, вращают вал не равномерно, а толчками, и поэтому нужно как-то стабилизировать его вращение. Здесь техническое решение заимствовано из античной гончарной технологии. На конце коленчатого вала крепится маховик, выполняющий точно ту же функцию, что и тяжелый каменный диск гончарного колеса, — он должен сохранять импульс и сглаживать рывки при вращении.
Другой древний механизм применяется для упорядоченного открывания и закрывания клапанов, чтобы впускать топливную смесь и выбрасывать отработанный газ в течение рабочего цикла. Кулачок имеет вытянутую, смещенную от центра форму, чтобы, вращаясь на распределительном валу, он в установленном ритме поднимал рычажок-коромысло или отбрасывал стержень-толкатель. В прошлом кулачковый механизм использовался в свайных молотах: энергия водяного колеса раз за разом поднимает молот, а падает он, нанося удар, спущенный вертящимся кулачком. Кулачковый механизм был известен древним грекам и появляется вновь в средневековых машинах XIV в. В современном двигателе внутреннего сгорания набор кулачков, вращаемых распределительным валом, обеспечивает точную синхронизацию работы впускных и выпускных клапанов с рабочим циклом цилиндров.
Если вы намерены установить двигатель на сухопутное транспортное средство, а не просто вращать им гребной винт судна, придется решить еще несколько технических задач. Разобравшись с устройством двигателя, придется перейти к следующему этапу — передаче вращения на колеса. Трансмиссия — одна из самых простых для понимания частей автомобиля; в сущности, это не более чем коробка, позволяющая выбрать, какие шестерни сцепить между собой, и работающая по тому же принципу, что и зубчатые передачи, восходящие к III в. до н. э. Двигатель внутреннего сгорания вращается с огромной частотой, и поэтому низкие передачи, когда вал трансмиссии сцепляется с шестерней, меньшей, чем на валу двигателя, используются, чтобы «обменять» частоту вращения на вращающее усилие. Оно нужно для ускорения или движения на подъем.
Смену шестерен облегчает еще один сопутствующий агрегат — диск сцепления. Во многих машинах вращение двигателя передается через диск с рельефной поверхностью, сцепленный с маховиком, — как ни странно, именно трение обеспечивает равномерность вращения. Специальный механизм позволяет разъединить маховик и диск сцепления, отцепив двигатель от карданного вала. Подобная система применялась в ранних деревообрабатывающих станках, например токарных, — так механизм станка отсоединялся от источника энергии.
Первые автомобили заимствовали трансмиссию у велосипедов и передавали вращение на заднюю ось посредством цепи и звезд. Более эффективный способ — карданный вал, но, чтобы он не сломался от сотрясений и толчков при езде, ему необходима некоторая степень гибкости. Как же придать жесткому стержню способность сгибаться в любом направлении, при этом передавая усилие? Решение в том, чтобы разместить в двух местах на валу универсальные шарниры. Такой шарнир состоит из пары соединенных муфт, его принцип был описан еще в 1545 г.
