В карбюраторном двигателе горючее поступает в цилиндры двигателя в парообразном и частью в мелкораспыленном состоянии в смеси с воздухом. Эта смесь, называемая горючей, приготовляется вне цилиндров двигателя, в особом приборе - карбюраторе.

В газовых двигателях горючая смесь (смесь газа и воздуха) образуется в смесителе, к которому газ поступает из газогенераторной или газобаллонной установки.

Рис. 14 - Схема и положения кривошипно-шатунного механизма:
а - в верхней мертвой точке; б - при движении поршня вниз; в - в нижней мертвой точке; г - при движении поршня вверх; 1 - цилиндр; 2 - верхняя головка шатуна; 3 - поршневой палец; 4 - поршень; 5 - шатун; 6 - нижняя головка шатуна; 7 - коленчатый вал.

В цилиндрах двигателя горючая смесь предварительно сжимается, а затем воспламеняется электрической искрой. При сгорании быстро возрастает давление и вследствие этого повышается температура образовавшихся газообразных продуктов сгорания. Стремясь расшириться, они давят на поршень 4 (рис. 14) и заставляют его опускаться внутри цилиндра 1. Поршень посредством поршневого пальца 3 связан с верхней головкой 2 шатуна 5. Нижняя головка 6 шатуна соединена с кривошипом (коленом) коленчатого вала 7. Поэтому прямолинейное движение поршня вызывает вращение коленчатого вала двигателя. Вместе с тем сам поршень при вращении вала совершает поступательно-возвратное движение (вниз и вверх).

Крайние положения поршня в цилиндре называются верхней и нижней мертвыми точками. Путь поршня от одной мертвой точки до другой называется ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на один полуоборот (180°).

Замкнутое пространство наименьшего объема внутри цилиндра (при положении поршня в верхней мертвой точке) называется камерой сгорания. Объем, освобождаемый поршнем при движении его от верхней мертвой точки до нижней, называется рабочим объемом цилиндра. Объем камеры сгорания и рабочий объем цилиндра вместе составляют полный объем цилиндра.

Сумма рабочих объемов всех цилиндров (для многоцилиндрового двигателя), выраженная в литрах, называется литражем двигателя.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем больше мощность, развиваемая двигателем при данном объеме цилиндра, и его экономичность (см. раздел 3 "Понятие о мощности, крутящем моменте и экономичности двигателя" настоящей главы).

Однако повышать степень сжатия горючей смеси карбюраторных и газовых двигателей можно только до известного предела, иначе нарушается нормальное протекание рабочего цикла (см. раздел 1 "Свойства и сорта горючего" главы VII).

На рис. 15 показана схема устройства одноцилиндрового двигателя. Рассмотрим основные механизмы и системы этого двигателя.

Рис. 15 - Схема одноцилиндрового двигателя:
1 - шестеренчатый привод; 2 - распределительный вал; 3 - толкатель; 4 - клапанная пружина; 5 - выпускная труба; 6 - впускная труба; 7 - карбюратор; 8 - клапаны; 9 - съемная головка цилиндра; 10 - цилиндр; 11 - рубашка охлаждения; 12 - поршень; 13 - шатун; 14 - верхняя часть картера; 15 - маховик; 16 - коленчатый вал; 17 - нижняя часть картера (поддон).

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов в цилиндре при сгорании смеси и превращает прямолинейное и переменное по направлению движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

К кривошипно-шатунному механизму относятся цилиндр 10, поршень 12 с поршневыми кольцами, шатун 13 с пальцем, коленчатый вал 16 с маховиком 15, верхняя 14 и нижняя 17 части картера. Распределительный механизм служит для своевременного впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска из него отработавших газов. Этот механизм состоит из распределительного вала 2 с шестеренчатым приводом 1, толкателей 3 с направляющими, клапанов 8 с направляющими втулками и пружин 4 с опорными тарелками.

Система охлаждения предотвращает перегрев двигателя.

Система смазки уменьшает трение и охлаждает трущиеся детали.

Система питания обеспечивает образование горючей смеси и поступление ее в цилиндр.

Система зажигания предназначена для воспламенения смеси электрической искрой.

Цилиндр 10 (рис. 15) представляет собой чугунную отливку, закрытую сверху съемной головкой 9. Головка и верхняя часть цилиндра имеют двойные стенки; пространство между этими стенками заполняется циркулирующей жидкостью, охлаждающей цилиндры, и называется рубашкой 11 охлаждения (водяная рубашка). В боковом приливе тела цилиндра имеются два отверстия - впускное и выпускное, перекрываемые клапанами 8. Впускное отверстие через впускную трубу 6 соединено с карбюратором 7 (в газовых двигателях - со смесителем), а выпускное - с выпускной трубой 5. Клапаны поднимаются (открываются) под давлением на них толкателей 3. На толкатели набегают кулачки распределительного вала 2, приводимого во вращение коленчатым валом 16 через шестеренчатый привод 1. Опускаются (закрываются) клапаны при помощи клапанных пружин 4.

В цилиндре находится поршень 12, имеющий в верхней части пружинящие кольца. Посредством шатуна 13 поршень соединен с коленчатым валом 16, вращающимся в подшипниках, установленных в верхней части 14 картера двигателя. На заднем конце вала укреплен тяжелый литой диск-маховик 15. Верхняя часть картера служит основанием, на котором монтируются механизмы и приборы двигателя.

На рис. 16 показана схема работы карбюраторного двигателя при различных положениях поршня и клапанов, соответствующих четырем различным процессам, периодически повторяющимся во время работы двигателя.

Рис. 16 - Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя:
1 - кулачок распределительного вала для выпускного клапана; 2 - толкатель выпускного клапана; 3 - кулачек распределительного вала для впускного клапана; 4 - толкатель впускного клапана; 5 - выпускная труба; 6 - выпускной клапан; 7 - запальная свеча; 8 - штанга впускного клапана; 9 - коромысло впускного клапана; 10 - карбюратор; 11 - впускной клапан; 12 - впускная труба; 13 - цилиндр; 14 - поршень.

Впуск. Предположим, поршень 14 (рис. 16) находится в верхней мертвой точке и началось вращение коленчатого вала двигателя; поршень при этом пойдет вниз.

По мере опускания поршня пространство в цилиндре 13 над поршнем увеличивается и в цилиндре создается разрежение, т. е. давление оказывается ниже атмосферного. Одновременно с движением поршня вниз кулачок 3 распределительного вала набегает на толкатель 4. Движение толкателя через штангу 8 и коромысло 9 передается впускному клапану 11, и он открывается (выпускной клапан 6 в это время закрыт). Вследствие разрежения в цилиндре при открытии впускного клапана из карбюратора 10 (в газовых двигателях - из смесителя) через впускную трубу 12 в цилиндр устремляется горючая смесь (рис. 16, 1-й такт).

Процесс поступления горючей смеси в цилиндр двигателя называется тактом впуска.

Сжатие. При дальнейшем вращении коленчатого вала двигателя поршень, миновав нижнюю мертвую точку, начнет подниматься, впускной клапан закроется и рабочая смесь (смесь свежей горючей смеси с остаточными газами) вследствие уменьшения пространства над поршнем начнет сжиматься. Объем смеси по достижении поршнем верхней мертвой точки уменьшается в современных двигателях обычно в 6-6,5 раза по сравнению с первоначальным. Процесс сжатия смеси в цилиндре двигателя (рис. 16, 2-й такт) называется тактом сжатия.

Назначение такта сжатия - хорошо перемешать, окончательно испарить горючее и уплотнить смесь, что необходимо для увеличения скорости ее сгорания (при сжатии частицы горючего сближаются друг с другом, повышается давление и вследствие этого возрастает температура смеси).

Такт расширения (рабочий ход). В конце такта сжатия между электродами запальной свечи 7, ввернутой в цилиндр, проскакивает электрическая искра, воспламеняющая рабочую смесь. При сгорании смеси температура газов внутри цилиндра повышается до 1800-2000° Ц. Смесь сгорает настолько быстро, что поршень не успевает отойти на значительное расстояние от верхней мертвой точки. Сгорание, следовательно, происходит в малом и почти постоянном объеме; поэтому в момент вспышки давление газов в цилиндре повышается и достигает 30-40 кг/см².

Под давлением газов, образующихся в цилиндре, поршень движется вниз и посредством шатуна вращает коленчатый вал (рис. 16, 3-й такт).

При движении поршня вниз объем внутри цилиндра увеличивается, вследствие чего происходит падение давления (до 3-5 кг/см²) и температуры газов.

При расширении газов совершается полезная работа, и поэтому ход поршня, соответствующий такту расширения, называется рабочим ходом.

Выпуск. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень 14, миновав нижнюю мертвую точку, снова поднимается, а кулачок 1 набегает на толкатель 2 и открывает выпускной клапан 6 (рис. 16, 4-й такт). Поднимаясь, поршень выталкивает из цилиндра через выпускную трубу 5 отработавшие газы в атмосферу и тем подготавливает цилиндр к приему свежей порции горючей смеси при следующем такте впуска.

Процесс очищения цилиндра двигателя от отработавших газов называется тактом выпуска.

В процессе выпуска часть отработавших газов остается в камере сгорания. Они называются остаточными газами. Смешиваясь с остаточными газами, горючая смесь, поступающая при такте впуска, образует так называемую рабочую смесь, которая и воспламеняется электрической искрой в цилиндре двигателя.

Рабочий цикл. Процессы, периодически повторяющиеся в определенной последовательности в цилиндре и необходимые для работы двигателя, называются рабочим циклом двигателя. Процесс, происходящий за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, называется тактом.

Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня, или за два оборота коленчатого вала, называются четырехтактными двигателями.

Схема протекания рабочего цикла одноцилиндрового четырехтактного двигателя показана в табл. 1.

Таблица 1

Угол поворота коленчатого вала	Направление движения поршня	Положение клапанов		Процесс (такт)
		впускного	выпускного
0-180° 1-й полуоборот	1-й ход - вниз	Открыт	Закрыт	Впуск
180-360° 2-й полуоборот	2-й ход - вверх	Закрыт	Закрыт	Сжатие
360-540° 3-й полуоборот	3-й ход - вниз	Закрыт	Закрыт	Рабочий ход
540-720° 4-й полуоборот	4-й ход - вверх	Закрыт	Открыт	Выпуск

Для запуска автомобильных двигателей коленчатый вал вращают при помощи какой-либо внешней силы (усилие водителя, прилагаемое к пусковой рукоятке, или пусковой электродвигатель - стартер) до получения первых вспышек, после чего двигатель начинает работать самостоятельно. При работе двигателя вспомогательные такты (впуск, сжатие и выпуск) в одноцилиндровых двигателях совершаются за счет энергии, накапливаемой маховиком при рабочем ходе, а в многоцилиндровом - также и за счет рабочих ходов, происходящих в это время в других цилиндрах.

Основной недостаток одноцилиндрового двигателя - неравномерное вращение коленчатого вала.

Для устранения этого недостатка и получения достаточной мощности автомобильные двигатели имеют обычно 4, 6 и 8 цилиндров, причем вспышки в цилиндрах происходят последовательно через равные промежутки времени. Так, в четырехцилиндровом двигателе на два оборота коленчатого вала приходится четыре вспышки, возникающие в разных цилиндрах через каждые полоборота коленчатого вала, в шестицилиндровом - шесть вспышек, происходящих через каждую треть оборота коленчатого вала, и т. д.