Образующиеся при сгорании в цилиндре смеси топливаи воздуха газы имеют высокую температуру и давление. Расширяясь, газы перемещают поршень и через шатун поворачивают коленчатый вал. Затем отработавшие газы удаляются из цилиндра, и он снова заполняется свежей горючей смесью (у дизелей воздухом).

Цилиндр заполняется горючей смесью (воздухом) и очищается от отработавших газов через два отверстия, закрываемые клапанами.

Поршни, соединенные шатунами с кривошипами вала, передвигаясь в цилиндрах, то удалятся от оси кривошипа, то приближаются к ней (рис. 1).

Положение а максимального удаления поршня от оси кривошипа называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а положение б минимального удаления — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, проходимое поршнем между мертвыми точками, называют ходом поршня. По величине ход поршня равен двум радиусам кривошипа. За каждый ход поршня коленчатый вал поворачивается на пол-оборота (180°). Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.

Рис. 1. Положения поршня:
а — в верхней мертвой точке (ВМТ); б — в нижней мертвой точке (НМТ); Vh — рабочий объем; Vc — объем камеры сгорания; s — ход поршня

Объем над поршнем, находящимся в ВМТ, называется объемом Vc камеры сгорания.

Пространство, освобождаемое поршнем, движущимся от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом Vh. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема составляет полный объем цилиндра Fc+ VA.

В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя.

Легковые автомобили делятся по литражу на микролитражные (до 1,0 л), малолитражные (свыше 1,0 до 1,7 л), среднего литража (свыше 1,7 до 3 л) и большого литража (свыше 3,0 л).

Один из важных показателей двигателя — это его степень сжатия е, который определяется отношением полного объема цилиндра к объему его камеры сгорания е = Vc Vft. Степень сжатия современных карбюраторных двигателей находится в пределах 6… 10.

С увеличением степени сжатия повышаются мощность и экономичность двигателя. Однако возможность увеличения степени сжатия ограничена физико-химическими свойствами топлива, в частности его октановым числом.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание — расширение), выпуск.

Впуск. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндре образуется разрежение, вследствие чего в него поступает горючая смесь, которая перемешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска равна 100…130 °С, а давление примерно 70…80 кПа (0,7…0,8 кгс/см2). На индикаторной диаграмме процесс впуска изображен линией га.

Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается, вследствие чего ее температура повышается и улучшается испарение бензина.

К концу такта сжатия давление в цилиндре повышается до 800… 1200 кПа (8… 12 кгс/см2), температура смеси достигает 280… 480 °С. На индикаторной диаграмме процесс сжатия показан линией ас.

Рабочий ход (сгорание — расширение). Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и сгорает за 0,001…0,002 с, выделяя при этом большое количество теплоты. Оба клапана закрыты. Температура сгорания свыше 2000 °С, а давление — 3,5…4,0 МПа (35…40 кгс/см2). На индикаторной диаграмме процесс сгорания изображен линией cz.

Под действием силы давления газов поршень перемещается к НМТ, вращая через шатун коленчатый вал. В процессе расширения за счет внутренней энергии топлива совершается механическая работа. В конце расширения давление в цилиндре падает до 300…400 кПа (3…4 кгс/см2), а температура снижается до 800…1100 °С. На индикаторной диаграмме процесс расширения газов характеризуется линией zb.

Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень перемещается к ВМТ и очищает цилиндр от отработавших газов, выталкивая их в атмосферу. Давление в цилиндре к концу такта выпуска снижается до 105…115 кПа (1,05… 1,15 кгс/см2), а температура до 300…400°С. На индикаторной диаграмме процесс выпуска отработавших газов изображен линией br.

Рабочий процесс четырехтактного двигателя протекает за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала. Из четырех тактов рабочий ход — основной, остальные три — вспомогательные. Поэтому одноцилиндровый двигатель работает неравномерно. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала автомобильные двигатели изготовляют с несколькими цилиндрами.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. В цилиндрах четырехтактного дизеля происходят те же такты, что и в цилиндрах четырехтактного карбюраторного двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Впуск. Поршень перемещается к НМТ и через открытый впускной клапан цилиндр заполняется воздухом.

Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и при закрытых клапанах сжимает находящийся в цилиндре воздух.

У дизеля более высокая, чем у карбюраторного двигателя, степень сжатия (е = 15…20) и как следствие этого выше давление (3,0…3,5 МПа, или 30…35 кгс/см2) и температура (600…700 °С) конца сжатия.

Рабочий ход. В конце такта сжатия в цилиндр через форсунку впрыскивается под высоким давлением (10…20 МПа, или 100…200 кгс/см2) мелкораспыленное тяжелое топливо, образующее с воздухом смесь, которая самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха и быстро сгорает, выделяя много теплоты. В результате температура в цилиндре повышается до 1800…2000°С, а давление — до 5…6 МПа (50…60 кгс/см2). Под действием силы давления газа поршень движется к НМТ, повертывая коленчатый вал.

Выпуск. Поршень перемещается к ВМТ, выталкивая через открытый выпускной клапан отработавшие газы в атмосферу.

Для поршневых двигателей внутреннего сгорания riM составляет в среднем 0,85.

Крутящий момент зависит от наполнения цилиндров горючей смесью, которое с увеличением частоты вращения коленчатого вала до определенных пределов улучшается, при дальнейшем повышении частоты вращения наполнение цилиндров горючей смесью ухудшается и крутящий момент падает.

При анализе и сравнении различных двигателей пользуются их скоростными характеристиками (рис. 2) — графиками зависимости эффективной мощности Ne, крутящего момента Ме и удельного расхода топлива ge от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Из характеристик видно, что при полном открытии дросселя (дроссельной заслонки) наибольшая мощность Ne этого двигателя, равная примерно 110 кВт (150 л. е.), достигается при 3200 мин-1. Наибольший крутящий момент Ме двигателя равен 400 Н-м (40 кгс-м), а наименьший удельный расход топлива ge, т. е. количество топлива, израсходованного на каждую единицу мощности за 1 ч, равен 326 г/э. кВт-ч (240 г/э. л. с. • ч).

Основные механизмы и системы двигателя. Двигатель внутреннего сгорания состоит из двух основных механизмов — кривошипно-шатунного и газораспределительного — и систем — охлаждения, смазки, питания. У карбюраторных двигателей имеется, кроме того, система зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает силу давления газов и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в цилиндр свежей горючей смеси (карбюраторные двигатели) или воздуха (дизели) и выпуска из него отработавших газов.

Система охлаждения отводит теплоту от нагревающихся деталей двигателя. Она может быть жидкостной (у большинства отечественных двигателей) или воздушной (МеМЗ-968).

Рис. 2. Скоростная характеристика двигателя ЗИЛ-130.

Система смазки служит для уменьшения трения между деталями двигателя, охлаждения их и отвода продуктов износа.

Система питания обеспечивает приготовление горючей смеси и подачу ее в цилиндры двигателя (карбюраторные и газовые двигатели), а также удаление из цилиндров продуктов сгорания.

Система зажигания служит для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя при помощи электрической искры.

—