Vidaus degimo variklis – vienas tų išradimų, kurie pakeitė žmonijos istoriją tyliai, be didelio triukšmo apie save, nors pats variklis kaip tik ir kelia tą triukšmą, kurį girdime kiekvieną dieną gatvėje. Nuo XIX amžiaus pabaigos iki šių dienų šis mechanizmas liko esminiu automobilių, sunkvežimių, laivų, žoliapjovių ir generatorių širdimi. Lietuvoje, kaip ir visame pasaulyje, dauguma transporto priemonių vis dar važinėja būtent su tokiu varikliu, todėl verta suprasti, kas iš tikrųjų vyksta po mašinos gaubtu, kai pasukame raktelį ar paspaudžiame mygtuką.
Kas iš tikrųjų degina degalus variklio viduje
Pats pavadinimas jau paaiškina esmę – degimas vyksta variklio viduje, o ne kažkur šalia, kaip būdavo garo mašinose, kur kuras degdavo išorėje, katile. Vidaus degimo variklis paverčia chemine energija saugomus degalus (benziną, dyzeliną, dujas) mechanine energija, kuri sukasi ratus, varo laivo sraigtą ar suka generatoriaus veleną. Šis virsmas vyksta cilindre – metalinėje kameroje, kurioje juda stūmoklis.
Esmė paprasta: degalų ir oro mišinys užsidega, staigiai išsiplečia dujos, jos stumia stūmoklį, o stūmoklio judesys per švaistiklinį mechanizmą virsta besisukančio veleno judesiu. Tas velenas (koleno velenas, vadinamas dar variklio velenu) ir yra tas, kuris galiausiai perduoda jėgą pavarų dėžei, o ši – ratams.
Cilindras, stūmoklis ir švaistiklinis mechanizmas
Cilindras – tai tarsi vamzdis, kuriame stūmoklis juda aukštyn žemyn (arba pirmyn atgal, priklausomai nuo variklio tipo). Stūmoklis sujungtas su švaistikliu, o švaistiklis – su koleno velenu. Ši grandinė leidžia tiesinį stūmoklio judesį paversti sukamuoju judesiu, kurio ir reikia transporto priemonei judėti. Kuo daugiau cilindrų turi variklis, tuo tolygiau paskirstoma jėga ir tuo švelnesnis darbas – todėl keturių cilindrų variklis dažniausiai jaučiasi kitaip nei šešių ar aštuonių.
Keturių taktų ciklas – variklio širdies plakimas
Dauguma šiuolaikinių automobilių variklių veikia pagal keturių taktų principą, kurį XIX amžiuje aprašė vokiečių inžinierius Nikolaus Otto. Šis ciklas kartojasi be perstojo, kol variklis dirba, ir susideda iš keturių etapų, kuriuos verta žinoti kiekvienam, norinčiam suprasti, kas vyksta po gaubtu.
Įsiurbimas
Stūmoklis juda žemyn, atsidaro įsiurbimo vožtuvas, ir į cilindrą patenka oro bei degalų mišinys (arba, priklausomai nuo variklio konstrukcijos, tik oras, o degalai įpurškiami vėliau). Šis taktas primena kvėpavimą – variklis tarsi įkvepia.
Suspaudimas
Abu vožtuvai užsidaro, stūmoklis juda aukštyn ir suspaudžia mišinį iki nedidelio tūrio. Kuo didesnė suspaudimo pakopa, tuo daugiau energijos galima išgauti iš degimo, tačiau tuo pat metu reikalavimai degalų kokybei tampa griežtesni – todėl aukštos kompresijos varikliams dažnai reikia aukštesnio oktaninio skaičiaus benzino.
Darbo taktas
Būtent čia įvyksta pati magija. Benzininiuose varikliuose suspaustą mišinį uždega žvakė, sukurdama kibirkštį, o dyzeliniuose varikliuose degalai užsidega patys nuo aukštos temperatūros, atsiradusios suspaudimo metu (todėl dyzeliniams varikliams žvakių apskritai nereikia degimui, nors žiemą naudojamos kaitinimo žvakės, palengvinančios starto procesą). Sprogimas stumia stūmoklį žemyn, ir būtent šis taktas generuoja mechaninę jėgą.
Išmetimas
Atsidaro išmetimo vožtuvas, stūmoklis juda aukštyn ir išstumia sudegusias dujas per išmetimo sistemą, katalizatorių, duslintuvą, ir toliau į atmosferą. Po to viskas prasideda iš naujo, ir šis ciklas per minutę pasikartoja šimtus kartų.
Benzininis ar dyzelinis – kuo skiriasi degimo principas
Nors abu variklių tipai remiasi tuo pačiu keturių taktų principu, degimo mechanizmas skiriasi iš esmės. Benzininiame variklyje mišinys paruošiamas iš anksto ir uždegamas kibirkštimi tiksliai apskaičiuotu momentu – tai vadinama priverstiniu uždegimu. Dyzeliniame variklyje oras suspaudžiamas iki daug didesnio slėgio (todėl ir suspaudimo pakopa gerokai aukštesnė), temperatūra pakyla iki tokio lygio, kad įpurkšti degalai užsidega savaime, be jokios kibirkšties.
Praktiškai tai reiškia, kad dyzeliniai varikliai paprastai ekonomiškesni degalų atžvilgiu ir turi didesnį sukimo momentą žemuose apsisukimuose, todėl mėgstami krovininio transporto ar didelių visureigių savininkų. Benzininiai varikliai dažniausiai lengvesni, tylesni ir geriau tinka aukštesniems apsisukimams, todėl sportiniuose automobiliuose dažniausiai rasite būtent tokį agregatą.
Kuro ir oro mišinio paruošimas – nuo karbiuratoriaus iki tiesioginio įpurškimo
Senesniuose automobiliuose kuro ir oro mišinį paruošdavo karbiuratorius – mechaninis prietaisas, veikiantis vakuumo principu. Šiandien tokių automobilių gatvėse beveik nebematyti, nebent kolekcinių egzempliorių parodose. Šiuolaikiniuose varikliuose naudojamas kuro įpurškimas, valdomas elektroniniu būdu.
Yra kelios sistemos: netiesioginis įpurškimas, kai degalai purškiami į įsiurbimo kolektorių prieš patenkant į cilindrą, ir tiesioginis įpurškimas, kai degalai purškiami tiesiai į cilindrą, dažniausiai labai aukštu slėgiu. Tiesioginio įpurškimo sistemos leidžia tiksliau kontroliuoti mišinio sudėtį, todėl variklis dirba efektyviau ir mažiau teršia, tačiau tokia sistema jautresnė degalų kokybei ir reikalauja rūpestingesnės priežiūros.
Aušinimo ir tepimo sistemos – kodėl variklis nesugenda po penkių minučių
Degimo procesas cilindre sukuria temperatūrą, siekiančią kelis šimtus, o kartais ir daugiau nei tūkstantį laipsnių Celsijaus. Be aušinimo sistemos metalinės detalės tiesiog išsilydytų arba deformuotųsi per kelias minutes. Todėl kiekvienas variklis turi aušinimo skystį, cirkuliuojantį per bloką, galvutę ir radiatorių, kur šiluma perduodama orui.
Lygiagrečiai veikia tepimo sistema – alyva, siurbiama specialaus siurblio, pasiekia visas judančias detales: stūmoklius, švaistiklius, koleno veleną, skirstymo mechanizmą. Alyva ne tik mažina trintį, bet ir padeda šalinti šilumą bei nešvarumus. Būtent todėl reguliarus alyvos keitimas – vienas svarbiausių dalykų, norint, kad variklis tarnautų ilgai. Jei alyvos lygis nukrenta arba jos kokybė prasta, trintis tarp detalių išauga tiek, kad variklis gali sugesti negrįžtamai, o remontas kainuos kur kas brangiau nei laiku atliktas alyvos keitimas.
Skirstymo mechanizmas ir vožtuvų sinchronizacija
Kad viskas vyktų tiksliai laiku – vožtuvai atsidarytų ir užsidarytų reikiamu momentu, žvakė kibirkščiuotų tinkamu metu – variklis turi skirstymo mechanizmą, dažniausiai valdomą diržo ar grandinės, sujungtos su koleno velenu. Skirstymo diržas ar grandinė – detalė, kurią verta žinoti kiekvienam automobilio savininkui, nes jos plyšimas veikiant varikliui gali sukelti rimtą, kartais net katastrofišką gedimą, kai stūmokliai susiduria su vožtuvais. Todėl gamintojų nurodytus keitimo intervalus tikrai verta gerbti, net jei detalė atrodo tvirta ir be defektų.
Kaip skiriasi variklių tipai pagal cilindrų išdėstymą
Variklių įvairovė nemaža – be skirtumo tarp benzininio ir dyzelinio kuro, egzistuoja skirtingi cilindrų išdėstymo variantai. Populiariausias – eilinis (rikiuotas) variklis, kai cilindrai sustatyti vienoje eilėje. Kitas variantas – V formos variklis, kai cilindrai išdėstyti dviem eilėmis kampu vienas kito atžvilgiu, taip sutrumpinant bendrą variklio ilgį. Egzistuoja ir bokseriniai (priešpriešiniai) varikliai, kur cilindrai guli horizontaliai priešingose pusėse – tokį sprendimą naudoja, pavyzdžiui, Subaru ar Porsche, siekdami žemesnio svorio centro ir geresnės pusiausvyros.
Kiekvienas sprendimas turi savo privalumų ir trūkumų – eiliniai varikliai paprastesni ir pigesni gaminti, V formos leidžia sutalpinti daugiau cilindrų mažesnėje erdvėje, o bokseriniai suteikia stabilumo, bet yra sudėtingesni techniškai ir brangesni remontuoti.
Turbina, kompresorius ir kitos jėgos didinimo priemonės
Norint iš to paties variklio tūrio išgauti daugiau galios, inžinieriai sugalvojo priverstinį oro tiekimą. Turbina – tai prietaisas, veikiantis nuo išmetamųjų dujų srauto, kuris sukasi turbinos ratuką, o šis suspaudžia orą prieš jam patenkant į cilindrą. Kuo daugiau oro patenka į cilindrą, tuo daugiau degalų galima sudeginti ir tuo didesnę jėgą galima išgauti.
Kompresorius veikia panašiu principu, tik varomas tiesiogiai nuo koleno veleno per diržą, todėl reaguoja greičiau nei turbina, bet suvartoja daugiau variklio galios savo darbui. Šiais laikais dauguma naujų automobilių, ypač mažesnio tūrio varikliai, turi turbokompresorius – tai leidžia gamintojams siūlyti mažesnius, ekonomiškesnius variklius, kurie vis dėlto pasiekia panašią ar net didesnę galią nei senesni, didesnio tūrio atitikmenys.
Vietoj išvadų – ką verta žinoti prieš sukant raktelį
Vidaus degimo variklis, nors ir atrodo kaip sudėtinga mįslė iš metalo, dirbanti pagal fiziką ir chemiją vienu metu, iš esmės remiasi paprasta idėja – suspausti, uždegti, panaudoti jėgą, išleisti dūmus, ir taip vėl, ir vėl, tūkstančius kartų per kelionę. Suprasti šį procesą naudinga ne tik smalsumo dėlei, bet ir praktiškai: žinodami, kas vyksta viduje, geriau suprasite, kodėl verta laiku keisti alyvą, kodėl skirstymo diržo ignoruoti negalima, kodėl dyzelinis variklis geriau tinka ilgoms tolimoms kelionėms, o benzininis – miesto važinėjimui su dažnais apsisukimų šuoliais.
Jeigu perkate naudotą automobilį, patariama atkreipti dėmesį į variklio triukšmą šaltam paleidimui – neįprasti garsai gali rodyti dėvėtus stūmoklių žiedus ar problemas su tepimo sistema. Taip pat verta pasidomėti, ar skirstymo diržas keistas laiku, nes ši smulkmena gali kainuoti gerokai daugiau nei atrodo iš pirmo žvilgsnio. O jeigu jūsų automobilis turi turbokompresorių, po ilgesnės greitos kelionės nepatingėkite leisti varikliui minutę kitą padirbti tuščiąja eiga prieš išjungiant uždegimą – tai apsaugo turbiną nuo perkaitimo ir pailgina jos tarnavimo laiką. Smulkmenos, bet būtent iš jų susideda variklio ilgaamžiškumas – mechanizmo, kuris, nepaisant elektromobilių bumo, dar ilgai liks pažįstamas garsas mūsų kelyse.
