Как работает четырёхтактный двигатель

Что показывает модель

Автомобильный двигатель на 3000 об/мин зажигает смесь в каждом цилиндре 25 раз в секунду, слишком быстро, чтобы уследить глазом. Эта модель замедляет двигатель так, что можно проследить каждый такт, а потом позволяет его менять: больше цилиндров, дизель вместо бензина, другие фазы газораспределения, меньше газа.

Цилиндр 1 нарисован во всех подробностях и разрезан посередине, чтобы было видно, что внутри. Красные поверхности это срезы блока, головки и поддона. Всё, что движется, показано целиком: поршень с кольцами, шатун, коленчатый вал с противовесами, два клапана с пружинами, два распредвала, ремень ГРМ и маховик. Вокруг стоят детали, без которых двигатель не живёт: рубашка охлаждения, прокладка ГБЦ, коренные подшипники, масляный насос, дроссельная заслонка, форсунка и каталитический нейтрализатор. Всего в списке «Детали» 24 названные детали.

Размеры взяты у одного цилиндра обычного двухлитрового четырёхцилиндрового двигателя: диаметр цилиндра 86 mm, ход поршня 86 mm и степень сжатия 10 к 1. Один цилиндр вытесняет 499,6 кубического сантиметра, четыре дают 1998 cc. Панель показаний в углу показывает угол коленвала, такт, в котором находится цилиндр 1, объём газа над поршнем и рассчитанное моделью давление в цилиндре, а под ними диаграмму давление-объём и график крутящего момента.

Почему один цикл занимает два оборота коленвала

Четырёхтактному двигателю нужно четыре хода поршня, а значит, два полных оборота коленчатого вала, чтобы пройти один цикл. По соглашению цикл отсчитывают в градусах поворота коленвала от 0° до 720°, начиная с положения, когда поршень стоит в самой верхней точке хода. Она называется верхней мёртвой точкой.

1. Впуск (от 0° до 180°). Впускной клапан открыт, поршень идёт вниз. Пространство над ним растёт, давление падает чуть ниже наружного, и смесь воздуха и топлива входит через впускной канал. В модели это поток синих точек.
2. Сжатие (от 180° до 360°). Оба клапана закрыты. Поршень поднимается и сжимает смесь до десятой части объёма, который она занимала внизу. При сжатии смесь нагревается и давление растёт, поэтому следующее сгорание получается гораздо эффективнее. Сжимаясь, точки становятся фиолетовыми.
3. Рабочий ход (от 360° до 540°). Чуть раньше верхней точки свеча даёт искру. Фронт пламени расходится от свечи за несколько тысячных долей секунды, давление вырастает в несколько раз и толкает поршень вниз. Только в этом такте газ совершает работу над поршнем. Посмотрите, как от свечи растёт оранжевая полусфера.
4. Выпуск (от 540° до 720°). Выпускной клапан открывается возле нижней точки, оставшееся давление вырывается наружу, а поднимающийся поршень выталкивает остальные газы в выпускной канал. Серые точки уходят вправо.

Затем снова открывается впускной клапан, и цикл повторяется. Цилиндр даёт один рабочий ход на два оборота: при 3000 об/мин это 25 рабочих ходов в секунду, и каждый длится всего 10 миллисекунд.

Что делает каждая деталь

Поршень и кольца. Поршень это лёгкий алюминиевый стакан, который скользит в цилиндре с зазором в несколько сотых долей миллиметра. Уплотняют его три кольца в канавках у верха: два верхних держат давление газа, нижнее снимает масло со стенки цилиндра. Стальной поршневой палец диаметром 21 mm соединяет поршень с шатуном.

Шатун и коленчатый вал. Шатун соединяет поршневой палец с шатунной шейкой, которая стоит в 43 mm от оси коленвала. Когда вал вращается, шейка описывает окружность, и поршень проходит 86 mm, вдвое больше радиуса кривошипа. Массивные щёки напротив шейки это противовесы, которые уравновешивают вращающуюся массу. Коленвал вращается в коренных подшипниках: тонких вкладышах с покрытием из мягкого металла. Пока двигатель работает, шейка плавает на плёнке масла и никогда их не касается.

Маховик. Три такта из четырёх не отдают энергию, а забирают. Маховик это тяжёлый диск, который запасает энергию во время рабочего хода и отдаёт её в остальных тактах, поддерживая вращение коленвала.

Клапаны, пружины и распредвалы. Каждый клапан это стальная деталь в форме гриба, которую пружина держит закрытой. Кулачок распредвала открывает его, нажимая через толкатель в форме стаканчика. Форма кулачка решает, когда клапан откроется, насколько и на какое время. В этой модели каждый клапан поднимается на 9,2 mm, а кулачки построены по той же кривой подъёма, которая двигает клапаны.

Ремень ГРМ. Коленвал приводит распредвалы зубчатым ремнём. На шкиве коленвала 21 зуб, на каждом шкиве распредвала 42, поэтому распредвалы делают ровно один оборот на два оборота коленвала. Каждый клапан открывается один раз за цикл, а цикл занимает два оборота коленвала, так что другого отношения быть не может.

Охлаждение и смазка. Включите «Охлаждение и масло». Охлаждающая жидкость (синяя) поднимается по рубашке охлаждения вдоль цилиндра, проходит над камерой сгорания и уносит тепло к радиатору. Прокладка ГБЦ, тонкий многослойный стальной лист, разделяет газ, охлаждающую жидкость и масло там, где головка прилегает к блоку. Масло (янтарное) масляный насос забирает из поддона через сетку и подаёт к коренным подшипникам, после чего оно стекает вниз.

Дроссель и форсунка. В бензиновом двигателе дроссель это поворотная заслонка во впуске. Если её прикрыть, давление входящего воздуха падает, и так водитель просит меньше мощности. Форсунка во впускном канале брызгает топливо на тыльную сторону закрытого впускного клапана, и короткую струю видно прямо перед открытием впуска.

Один цилиндр или восемь

Подвиньте ползунок «Цилиндры». Дополнительные цилиндры нарисованы полупрозрачными на том же коленвале, и они действительно следуют своим кривошипам и порядку работы.

Один цилиндр толкает раз в два оборота, поэтому момент на коленвале сильно скачет: сильно положительный на рабочем ходе и слегка отрицательный, пока поршень сжимает следующий заряд. График момента на панели показаний строит суммарный момент газа за два оборота, а штриховая линия отмечает среднее. Число справа вверху это размах: разность между самым большим и самым малым моментом, делённая на среднее.

Размах считается по кривой давления модели, только по силам газа. В нём нет инерции поршней, которая очень важна на высоких оборотах; поэтому инженеры заботятся не только об интервалах между вспышками, но и об уравновешенности. Рядная четвёрка, например, срабатывает равномерно, но всё равно трясётся вверх-вниз дважды за оборот, потому что её поршни движутся не по идеальной синусоиде. Поэтому многие крупные четырёхцилиндровые двигатели снабжены балансирными валами.

В разделе «Управление» есть столбчатая диаграмма размаха для каждой схемы. Нажмите на полосу, чтобы перейти к этой схеме.

Бензин или дизель

Включите «Дизель». В модели меняются три вещи.

Во-первых, днище поршня поднимается на 4,5 mm, и пространство над поршнем в верхней точке уменьшается с 55,5 cc до 29,4 cc. Степень сжатия меняется с 10:1 на 18:1. Во-вторых, свечи нет. Один только воздух сжимается так сильно, что нагревается до нескольких сотен градусов, и этого хватает, чтобы дизельное топливо загорелось сразу при впрыске. В-третьих, форсунка переезжает в центр головки и впрыскивает прямо в цилиндр примерно за 10° до верха. Топливо горит по мере поступления, поэтому сгорание начинается мягче, чем от искры в бензиновом двигателе, и длится дольше.

У дизеля нет дроссельной заслонки в обычном смысле. Он всегда втягивает полный цилиндр воздуха, а мощность регулирует количеством впрыснутого топлива. В модели ползунок дросселя в режиме дизеля меняет количество топлива, а в режиме бензина давление на впуске. Эта разница одна из причин, по которым дизель теряет меньше энергии на частичной нагрузке: бензиновому двигателю на малой нагрузке приходится втягивать заряд через почти закрытую заслонку, а прокачка воздуха через это сужение стоит работы.

Каким может быть КПД?

Идеальный цикл бензинового двигателя это цикл Отто: сжатие и расширение без потерь тепла, а всё тепло подводится разом в верхней точке. Его КПД зависит только от степени сжатия r и показателя адиабаты газа γ:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

Для воздуха (γ = 1,4) и r = 10 получается 60,2 %. При 14:1, такой степени сжатия у бензиновых двигателей Mazda SKYACTIV-G за пределами США, КПД растёт до 65,2 %. Идеальный дизельный цикл подводит тепло на отрезке хода, а не разом; при r = 18 и степени предварительного расширения 2 он даёт 63,2 %. Более высокое сжатие и есть главное преимущество дизеля. Бензиновый двигатель не может уйти намного дальше 10 к 14:1, потому что горячая смесь взорвётся сама до искры. Это называется детонацией.

Строка «Идеальный КПД» на панели показаний использует эти формулы. Лаборатория в разделе «Управление» показывает и КПД модели: работу в рассчитанном цикле давления, делённую на выделившееся в нём тепло. При исходных настройках он около 48 % для бензина и около 51 % для дизеля, а при четверти дросселя у бензина падает до 36 %, тогда как дизель остаётся около 50 %. Настоящие двигатели теряют больше: тепло уходит в стенки, сгорание не мгновенное, а трение и масляный и водяной насосы забирают свою долю. Министерство энергетики США оценивает, что в обычной езде лишь примерно от 12 до 30 % энергии топлива обычного автомобиля в итоге уходит на движение по дороге, в зависимости от характера езды.

Фазы, которые можно двигать

Если бы клапаны открывались и закрывались точно в верхней и нижней мёртвых точках, на высоких оборотах двигатель дышал бы плохо: у газа есть масса, и ему нужно время, чтобы разогнаться и остановиться. Настоящие двигатели открывают клапаны раньше и закрывают позже. Модель начинает с типичных значений:

Позднее закрытие впуска позволяет движущемуся столбу воздуха продолжать набиваться в цилиндр, когда поршень уже пошёл вверх. Раннее открытие выпуска позволяет высокому давлению сброситься, прежде чем поршню придётся давить против него. Около верхней мёртвой точки в конце выпуска оба клапана чуть приоткрыты одновременно на протяжении 20°; это перекрытие клапанов позволяет уходящим газам помогать втягивать свежий заряд.

Круг в разделе «Управление» это диаграмма фаз газораспределения. Верхняя мёртвая точка наверху, один круг равен одному обороту коленвала. Синяя дуга показывает, сколько открыт впуск, серая выпуск. Тяните любую дугу по кругу или пользуйтесь кнопками под ним. Так работает фазовращатель в настоящем двигателе: он поворачивает распредвал на несколько градусов относительно шкива, и клапан открывается и закрывается раньше или позже, а время открытия остаётся прежним. Распредвалы в 3D-модели поворачиваются вслед за вашей настройкой.

Пока вы тянете, меняются три числа. Перекрытие это заштрихованный клин наверху. Фактическая степень сжатия равна объёму в момент закрытия впуска, делённому на наименьший объём, поэтому позднее закрытие впуска её снижает. Двигатели, построенные под цикл Аткинсона или Миллера, делают так нарочно, чтобы получить высокую степень расширения без детонации. КПД модели следует за циклом давления: раннее открытие выпуска выбрасывает давление, которое ещё могло бы толкать поршень, и КПД падает.

Дроссель, обороты, момент и мощность

Второй график лаборатории строит момент и мощность в зависимости от оборотов. Чёрная линия это момент при выбранном вами дросселе, оранжевая соответствующая мощность. Серый пунктир показывает полностью открытый дроссель. Точечная линия изображает нагрузку, похожую на дорожную, которая растёт со скоростью, а красная точка стоит там, где момент двигателя встречается с нагрузкой. На этих оборотах двигатель и установится. Прикройте дроссель, и точка съедет на меньшие обороты: так водитель управляет машиной.

Момент получается из работы цикла модели: цилиндр, совершающий 625 джоулей работы газа за цикл, даёт в среднем за два оборота 625 / 4π ≈ 50 ньютон-метров. Наполнение меняется с оборотами (лучше всего около средних оборотов, которые сдвигаются вместе с фазами), а трение растёт с оборотами, поэтому момент достигает пика посередине, а мощность растёт почти до самого верха. Мощность равна моменту, умноженному на угловую скорость: P = T × 2πN / 60. Все эти кривые это значения модели, которые показывают форму, а не протокол стендовых испытаний.

Два такта вместо четырёх

Включите «Сравнить с двухтактным». На сцене появляется рисунок двухтактного цилиндра на том же коленвале. Клапанов у него нет. Поршень сам открывает выпускное и продувочное окна в стенке цилиндра около нижней точки хода. Свежий заряд, уже немного сжатый в картере под поршнем, врывается через продувочное окно и вытесняет отработавшие газы в выпуск. Поэтому каждый ход вниз оказывается рабочим, и вспышка происходит на каждом обороте.

Оранжевая линия на графике момента это момент двухтактного двигателя. Он вспыхивает вдвое чаще, но в модели каждый цикл совершает меньше работы (примерно половину), потому что окна открыты значительную часть хода и часть свежего заряда уходит прямо в выпуск. Это потерянное топливо и объясняет, почему маленькие двухтактные моторы лёгкие и простые, но грязные, и почему большинство дорожных машин перешли на четыре такта. Большие тихоходные двухтактные дизели на судах решают эту задачу нагнетателями и выпускными клапанами и входят в число самых экономичных двигателей, когда-либо построенных.

Настоящие двигатели

Каталог двигателей настраивает схему, топливо и размер цилиндров модели под настоящий двигатель. Цилиндры рисуются в правильном размере, кроме самых больших: они уменьшены и помечены. Степень сжатия и давления остаются значениями модели.

Мощность указана только там, где для названной версии подтверждено одно значение. Некоторые из этих двигателей продавались в нескольких вариантах мощности.

Числа с расчётом

Как читать диаграмму давление-объём

Маленький график на панели показаний строит давление в цилиндре в зависимости от объёма при вращении коленвала. Вертикальная ось логарифмическая, чтобы и низкое давление впуска, и высокий пик сгорания поместились на одном графике. Площадь внутри петли пропорциональна работе, которую газ совершает над поршнем за один цикл. Прикройте дроссель и посмотрите, как петля сжимается, а нижняя линия уходит ниже атмосферного давления: маленькая обратная петля внизу это насосные потери.

Давление здесь это упрощённая модель, а не измерение. Сжатие и расширение следуют политропе pVⁿ = const при n = 1,32, а тепловыделение идёт по плавной S-образной кривой сгорания, которая начинается с искры и длится 55 градусов поворота коленвала. Это даёт пик около 51 bar через 20° после верхней мёртвой точки при полностью открытом дросселе.

Очистка выхлопа

При сгорании бензина в воздухе остаются три главных загрязнителя: угарный газ, несгоревшие углеводороды и оксиды азота. Каталитический нейтрализатор в выпускной трубе это керамические соты, покрытые платиной, палладием и родием. В бензиновой машине это трёхкомпонентный катализатор: он окисляет угарный газ и углеводороды до углекислого газа и воды и восстанавливает оксиды азота до азота. Справляться со всеми тремя сразу он может, только если двигатель работает очень близко к химически точной смеси, поэтому у бензиновых двигателей в выпуске стоит датчик кислорода. Дизели работают с избытком воздуха, поэтому в них ставят окислительный катализатор, сажевый фильтр и отдельную систему для оксидов азота.

Откуда взялся четырёхтактный двигатель

Двигатели внутреннего сгорания, которые втягивали смесь и поджигали её без предварительного сжатия, строили уже к 1860-м годам, но их КПД был низким. В 1876 году Николаус Отто в Германии построил первый практичный двигатель, который сжимал заряд перед поджигом, по показанному здесь четырёхтактному циклу. Поэтому идеальный четырёхтактный бензиновый цикл до сих пор называют циклом Отто. В 1890-х годах Рудольф Дизель создал двигатель, который поджигает топливо одним только сжатием.

От работы газа до киловатт: расчётный пример

Модель даёт каждому цилиндру около 625 джоулей работы газа за цикл на полной нагрузке. Всё дальнейшее вытекает из этого одного числа, и те же шаги подходят для любого двигателя, паспорт которого можно прочитать.

1. Работа за цикл для четырёх цилиндров. 4 × 625 J = 2500 J.
2. Средний момент. Цикл занимает два оборота, то есть 4π радиан, поэтому T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m. Это среднее за цикл. График момента на панели колеблется вокруг него.
3. Мощность при 3000 об/мин. P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62,5 kW. Короткий путь даёт то же: 2500 J за цикл × 25 циклов в секунду = 62 500 W.
4. Среднее эффективное давление. Работу за цикл делят на рабочий объём: 2500 J ÷ 1,998 литра = 1,25 мегапаскаля, около 12,5 bar. Это постоянное давление, которое, действуя на поршень весь рабочий ход, совершило бы ту же работу. Оно позволяет сравнивать двигатели разного размера, потому что не зависит от объёма.
5. Мощность с литра. 62,5 kW ÷ 1,998 L ≈ 31 kW с литра.

Здесь модель для простоты держит момент постоянным. В настоящем двигателе момент меняется с оборотами, так что мощность при 6000 об/мин не ровно вдвое больше. Пример нужен, чтобы увидеть цепочку единиц: джоули за цикл превращаются в ньютон-метры, а ньютон-метры, умноженные на радианы в секунду, в ватты.

Каталог двигателей показывает, насколько может различаться мощность с литра. По номинальной мощности из таблицы выше дизель Toyota 1GD-FTV даёт 130 kW при 2755 cc, около 47 kW с литра. Volkswagen EA888 2.0 TSI даёт 162 kW при 1984 cc, около 82 kW с литра, а Honda K20C1 выдаёт 228 kW при 1996 cc, около 114 kW с литра. Это номинальные значения при одной частоте вращения для одной версии, и турбомоторы достигают их, нагнетая больше воздуха в те же цилиндры, а не за счёт большего диаметра или хода.

Степень сжатия, детонация и топливо

Формула КПД η = 1 − 1/r^(γ−1) награждает более высокую степень сжатия, но с убывающей отдачей. При γ = 1,4:

С 8 до 10 прирост 3,7 процентного пункта. С 12 до 14 всего 2,2. Кривая выравнивается, и каждая лишняя единица сжатия даёт меньше.

Настоящие двигатели к тому же заметно ниже этих чисел. Газ в двигателе не воздух с γ = 1,4: у сгоревшей смеси отношение теплоёмкостей меньше, и при γ = 1,3 та же формула даёт при 10:1 лишь 49,9 %. Значение модели при настройках по умолчанию, около 48 %, того же порядка. Потери тепла в стенки и трение снижают реальную цифру ещё сильнее, у серийных двигателей в лучшем случае примерно до 30 или 40 %.

Бензиновым двигателям не дают просто поднять степень сжатия детонация. Октановое число показывает, насколько топливо сопротивляется детонации, когда часть сжатой смеси воспламеняется раньше, чем до неё дойдёт пламя. При более высокой степени сжатия оставшийся газ горячее и плотнее, и нужно топливо, устойчивое к самовоспламенению. Поэтому в руководстве написано, какой бензин заливать: двигатель рассчитан на него. Новые двигатели умеют позже подавать искру, когда замечают детонацию, это их защищает, но стоит мощности и расхода. Дизель в модели обходит проблему: он сжимает только воздух, а топливо впрыскивает потом.

Частые заблуждения

«Двигатель взрывается в каждом такте.» Работу над поршнем совершает только один такт из четырёх. В одноцилиндровом двигателе остальные три берут энергию у маховика. Поднимите ползунок «Цилиндры» и смотрите на порядок работы: у восьмицилиндрового рабочие ходы идут каждые 90°, поэтому кажутся непрерывными.

«Момент и мощность это одно и то же.» Момент это крутящая сила на коленвале. Мощность это момент, умноженный на скорость вращения. Двигатель может иметь наибольший момент на средних оборотах, а наибольшую мощность на гораздо более высоких, это и показывают две кривые на графике по оборотам.

«Больше цилиндров всегда значит больше мощности.» Мощность зависит от воздуха, который двигатель способен сжечь за секунду: объём, обороты и то, сколько воздуха загнано в каждый цилиндр. Маленький турбированный трёхцилиндровый двигатель из списка может обогнать больший без турбины. Больше цилиндров нужно прежде всего для более ровного момента и для меньших цилиндров, это видно в столбце колебаний.

«Если прикрыть дроссель, та же работа совершается с меньшим расходом топлива.» В цилиндр попадает меньше воздуха, и топливо дозируется соответственно. Платой становится работа насосных потерь: поршень должен втягивать воздух мимо почти закрытой заслонки. Маленькая обратная петля на диаграмме давление-объём и есть эта потеря.

«Чем выше октановое число, тем больше мощность.» Октановое число описывает стойкость к детонации, а не запас энергии в топливе. Двигатель, который не детонирует на низшем сорте, ничего не выигрывает от высшего, и нужно следовать рекомендации производителя.

Попробуйте на экране

• Проверьте пример. Выберите четыре цилиндра и бензин на полной нагрузке. Штриховая линия на графике момента это средний момент, а график по оборотам в лаборатории рисует соответствующую мощность. Сравните их форму с шагами выше.
• Сравните петли. Включайте и выключайте «Дизель» и сравнивайте петлю давление-объём, степень сжатия и строку «Идеальный КПД». Степень сжатия меняется с 10:1 на 18:1.
• Следите за фактическим сжатием. На круге фаз газораспределения тяните дугу впуска позже и читайте «Фактическое сжатие» и КПД модели, пока они меняются.
• Посмотрите насосные потери. Прикройте дроссель в бензиновом режиме и смотрите на маленькую обратную петлю внизу диаграммы давление-объём и на КПД модели, который падает примерно до 36 % при четверти дросселя.
• Сравните двигатели разного размера. Выберите две записи из каталога двигателей, например Honda GX160 и GM LS3, и сравните рисунки цилиндров и cc на цилиндр в примечании под списком.

Тридцать двигателей: от 1876 года до контейнеровоза

Каталог на вкладке «Управление» теперь содержит тридцать двигателей. Можно искать по названию или отбирать двигатели до 1950 года, легковые, мотоциклетные, малые, грузовые, гоночные и судовые, а также с искровым зажиганием или дизельные. Выбор задаёт схему, топливо и размер цилиндров: рисунок растёт от газонокосилки до судна.

Два случая требуют оговорки. Модель рисует V6 с углом 60°, а двигатель Формулы-1 имеет угол 90°: схема близкая, но не точная. Диаметр судовых цилиндров — 960 mm, более чем в одиннадцать раз больше модельного. Поэтому на сцене они показаны в двойном размере модели с соответствующей пометкой; числа сохраняют реальные размеры. В документе Wärtsilä КПД не указан в процентах. Его можно получить из расхода: 171 грамм топлива на киловатт-час при теплоте сгорания 42,7 MJ на килограмм дают 3 600 ÷ (0,171 × 42 700) = 49,3 %. Судовой двигатель двухтактный, поэтому его выбор включает и двухтактное сравнение.

Большой цилиндр не может вращаться так же быстро. Ограничение задаёт скорость поршня, поэтому при увеличении цилиндра модель сохраняет его среднюю скорость. В исходном размере 7 000 rpm при ходе 86 mm дают 20,1 m/s. Увеличение в 15 раз, как для судна, допускает лишь около 300 rpm при той же скорости поршня. Настоящий судовой двигатель вращается при 102 rpm, потому что его ход в 2,6 раза больше диаметра. Средняя скорость поршня равна 8,5 m/s, как в таблице Wärtsilä.

Настоящая частота вращения, затем замедление

Кнопка «Запустить при 3 000 rpm» показывает то, что модель обычно скрывает. При 3 000 rpm коленвал делает 50 оборотов в секунду, каждый цилиндр зажигается 25 раз в секунду, а один такт длится 10 тысячных секунды. На экране с частотой 60 Hz коленвал проходит 300 градусов между кадрами. Детали кажутся дёргающимися или вращающимися назад: это стробоскопический эффект, как у колёс в кино. Через три секунды модель за 3,5 секунды замедляется до 6 rpm. За тактами снова легко следить, а полоса называет такт цилиндра 1. Со звуком отдельные удары сливаются в гул на полной скорости и снова разделяются при замедлении.

Степень сжатия, детонация и позднее закрытие впуска

Ползунок меняет степень сжатия бензинового двигателя от 6:1 до 15:1. Повышение увеличивает КПД модели (47,6 % при 10:1), поскольку после сгорания газ расширяется сильнее. Но несгоревшая смесь тоже сжимается сильнее. Если концевая часть заряда становится достаточно горячей и плотной, она самовоспламеняется до прихода пламени от свечи, и две волны давления сталкиваются. Это детонация: металлический звон, высокий пик давления и повреждения поршней в настоящем двигателе.

Детонация зависит от топлива, температуры, формы камеры и момента зажигания. В модели действует простое правило, указанное на экране: она начинается, когда давление в конце сжатия превышает 20,5 bar. С исходными фазами граница находится около 11:1 (20,2 bar, ещё без детонации); при 12:1 получается 22,7 bar и возникает детонация.

Есть обходной путь. Если впуск закрывается позже, часть заряда выталкивается обратно до закрытия клапана. Фактическое сжатие меньше геометрического. При задержке впуска на 40° степень 13,5:1 даёт 17,9 bar в конце сжатия, ниже порога, а КПД модели растёт до 50,9 %. Расширение использует полные 13,5:1. Такова идея циклов Аткинсона и Миллера: короткое сжатие и долгое расширение. Toyota 2ZR-FXE в Prius использует этот подход, а Mazda и Toyota указывают степени сжатия 13 и 14 к 1 для новых бензиновых двигателей.

Турбонаддув и возвращение детонации

После установки турбокомпрессор появляется возле выхлопной трубы. Выхлоп вращает турбинное колесо, а компрессорное на том же валу нагнетает воздух во впуск. Больше воздуха позволяет сжечь больше топлива и получить больше мощности из того же объёма. Министерство энергетики США описывает турбокомпрессоры как устройства, подающие дополнительный воздух в цилиндры и позволяющие впрыскивать больше топлива. В сочетании с уменьшением двигателя оно указывает экономию топлива до 8 %.

Ползунок наддува добавляет давление сверх наружного. В одноцилиндровой модели 0,9 bar повышают пиковую мощность с 19,1 до 29,4 kW. Цена — детонация: давление в конце сжатия растёт, и уже 0,6 bar при 10:1 дают 29,1 bar. Настоящие бензиновые турбомоторы используют меньшую степень сжатия, позднее закрытие впуска, охлаждение наддувочного воздуха и непосредственный впрыск. В модели 0,9 bar работают без детонации при 8:1 и задержке закрытия на 40° (18,1 bar). У дизеля такой границы нет: топливо впрыскивается только тогда, когда должно сгореть.

Задания на сцене

Список «Задания» на вкладке «Управление», доступный и через значок на сцене, проверяет действия прямо на модели. Заданий одиннадцать: добавить не менее 5 % пиковой мощности фазами (лучшая проверенная настройка, впуск на 15° раньше и выпуск на 30° позже, даёт 10,7 %), достичь 13:1 без детонации, назвать порядок работы V8, увидеть преимущество дизеля при частичной нагрузке (50,7 % против 43,6 % при половинном газе), найти самую ровную схему, включить настоящую скорость, сравнить два и четыре такта, найти самый эффективный и самый старый двигатель каталога, получить 0,8 bar без детонации и открыть все крупные планы. Отметки решений сохраняются при возвращении.

«Сейчас» и «среднее» в показаниях

В показаниях смешаны два типа чисел, каждый с пометкой. Газовый момент «сейчас» — вращающее действие газа на коленвал при данном угле. Он меняется от отрицательного при сжатии до нескольких сотен ньютон-метров сразу после искры, поэтому умножение его на частоту вращения не даст осмысленной мощности. Момент, частота и мощность с пометкой «среднее» согласованы: это средние за полный цикл с учётом трения и газообмена при установившейся под нагрузкой скорости. Умножьте этот момент на угловую скорость в радианах в секунду — получится мощность той же строки.

Крупные планы

Кнопки приближают одну деталь и останавливают коленвал в нужный момент: шатунная шейка при 90°, впускной кулачок на полном подъёме, оба клапана открыты у верхней мёртвой точки, поршень в такте сжатия, искра перед верхней точкой, дизельная форсунка в начале впрыска и турбокомпрессор. «Разобрать» отодвигает литые корпуса, позволяя видеть работу поршня, шатуна и коленвала отдельно.