Если сила, действуя на какое-либо тело, перемещает его, то говорят, что сила совершает работу. Работа есть величина, измеряемая произведением силы (в кг) на путь (в м) перемещения тела по направлению силы. Единицей работы является килограммометр (кгм).

Газы, приводя в движение поршень, также совершают работу. При это переменное давление газов на поршень во время рабочего хода может произвести такую же работу, как некоторое постоянное давление, действующее на протяжении всего рабочего хода. Очевидно, что это условное постоянное давление будет значительно меньше максимального давления при вспышке (30-40 кг/см² для карбюраторного двигателя), но больше минимального к концу рабочего хода (3-5 кг/см²).

Однако часть работы, производимой газами в течение рабочего хода, затрачивается на совершение вспомогательных тактов, главным образом такта сжатия. Поэтому полезная работа за весь цикл будет меньше работы за один рабочий ход на величину этих затрат.

Условное постоянное давление, которое может на протяжении рабочего хода произвести работу, равную полезной работе за весь рабочий цикл, называется средним индикаторным давлением. У автомобильных двигателей среднее индикаторное давление колеблется в пределах 8-12 кг/см² (при наибольшем поступлении горючей смеси в цилиндры).

Следовательно, для определения работы, производимой данным двигателем за один рабочий цикл, нужно, зная среднее индикаторное давление газов, подсчитать силу давления газов на поршень (в кг) и умножить ее на длину хода поршня (в м). Работа, производимая двигателем в единицу времени - 1 секунду, называется мощностью двигателя.

Единицей мощности служит килограммометр в секунду (кгм/сек) или условная единица - лошадиная сила, равная 75 кгм/сек.

Для того чтобы уяснить, от чего зависит мощность двигателя, произведем примерный подсчет мощности одноцилиндрового четырехтактного двигателя, имеющего следующие данные: диаметр поршня 80 мм, ход поршня 100 мм, число оборотов вала двигателя 3600 в минуту, среднее индикаторное давление газов 8 кг/см². Силу давления газов, воспринимаемую поршнем, можно определить, вычислив площадь днища поршня в квадратных сантиметрах и умножив эту величину на среднее индикаторное давление газов (8 кг/см²).

Днище поршня представляет собой круг, площадь которого равна постоянному числу 3,14 (П), умноженному на радиус в квадрате (R²). Радиус равен половине диаметра, т. е. в рассматриваемом случае 40 мм (80 : 2), или 4 см.

Следовательно, площадь днища поршня в этом случае будет равна

Отсюда полное давление газов, действующее на поршень, составит

Следовательно, работа, произведенная поршнем за каждый рабочий цикл при ходе поршня 100 мм, или 0,1 м, будет равна

Так как рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала, число рабочих циклов при 3600 об/мин составит

Отсюда мощность двигателя будет равна

или

Мощность, развиваемая газами внутри цилиндров двигателя, называется индикаторной мощностью и определяется по индикаторной диаграмме, снимаемой с двигателя автоматическим прибором - индикатором.

Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе газов за рабочий цикл.

Часть индикаторной мощности тратится на преодоление трения в двигателе (между подшипниками и шейками коленчатого вала, поршнями и стенками цилиндров и т. д.) и привод вспомогательных механизмов (подъем клапанов, привод насосов систем охлаждения и смазки, приборов электрооборудования и т. д.).

Поэтому эффективная мощность, т. е. мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя, в зависимости от режима работы двигателя будет меньше индикаторной мощности на 10-20%. При этом условии эффективная мощность указанного в примере, двигателя составит около 13-14 л. с.

Очевидно, мощность многоцилиндрового двигателя равна мощности одноцилиндрового двигателя, умноженной на число цилиндров.

Как видно из приведенного выше примера, мощность двигателя зависит от диаметра и величины хода поршня, среднего индикаторного давления газов, числа оборотов коленчатого вала двигателя в единицу времени.

Однако мощность двигателя возрастает с увеличением числа оборотов коленчатого вала только до определенной величины, зависящей от конструктивных особенностей двигателя. Это объясняется тем, что с увеличением числа оборотов резко возрастают механические потери на трение и уменьшается среднее индикаторное давление, так как ухудшается наполнение цилиндров горючей смесью. Наполнение цилиндров уменьшается потому, что увеличивается сопротивление прохождению смеси в клапанах (гидравлические потери) и сокращается продолжительность открытия впускного клапана.

Две параллельные и равные силы, направленные в противоположные стороны и действующие в одной плоскости, называются парой сил.

Под действием пары сил тело не остается в покое, а вращается. Такой случай мы имеем при вращении водителем рулевого колеса; усилие рук водителя создает пару сил (рис. 19).

Рис. 19 - Схема действия пары сил

Действие пары сил на тело зависит от величины этих сил и расстояния между точками их приложения, называемого плечом пары. Величина пары характеризуется ее моментом, т. е. произведением одной из сил в килограммах на плечо в метрах. Если, например, сила, с какой каждая рука водителя действует на рулевое колесо, равна 5 кг, а плечо пары составляет 0,4 м, то момент, вызывающий вращение рулевого колеса, будет равен 2 кгм. Этот момент называется крутящим (вращающим) моментом.

Во время рабочего хода в кривошипно-шатунном механизме также возникает пара сил, вызывающая вращение коленчатого вала.

Давление газов на поршень, передаваемое через шатун на кривошип коленчатого вала, создает силу Р (рис. 20, слева).

Рис. 20 - Схема пары сил, приложенной к коленчатому валу

Но всякая сила вызывает (по закону равенства действия и противодействия) равную себе, но действующую в противоположном направлении, реактивную силу, или реакцию.

Другой силой пары будет реакция Р, являющаяся силой сопротивления вращению коленчатого вала, вследствие трения в опорных подшипниках.

При положении поршня в верхней мертвой точке (рис. 20, справа) плечо пары, а следовательно, и крутящий момент равны нулю - поршень из этого "мертвого" положения выводится маховиком. По мере движения поршня во время рабочего хода меняются и сила, и плечо пары, соответственно с чем изменяется и крутящий момент. Изменения величины крутящего момента сглаживают применением маховика и увеличением числа цилиндров двигателя.

Крутящий момент, развиваемый двигателем, определяется при помощи специальных испытательных установок и характеризует работу, совершаемую двигателем за один оборот коленчатого вала. Зная величину крутящего момента и соответствующее ему число оборотов коленчатого вала двигателя, можно определить эффективную мощность двигателя.

Числа оборотов коленчатого вала, соответствующие максимальному крутящему моменту и максимальной мощности двигателя, не совпадают. Если максимальную мощность двигатель развивает обычно при 2800-3600 об/мин, то максимальный крутящий момент он развивает примерно при 1400-2000 об/мин. При 1400- 2000 об/мин, если дроссельная заслонка карбюратора открыта полностью, происходит наибольшая подача горючей смеси в цилиндры, среднее индикаторное давление газов достигает максимальной величины, а поэтому и крутящий момент оказывается наибольшим.

Экономичность двигателя характеризуется удельным расходом горючего, т. е. часовым расходом горючего, приходящимся на одну лошадиную силу эффективной мощности, развиваемой двигателем на определенном режиме работы.

Например, двигатель развивает эффективную мощность в 50 л. с. и расходует при этом в час 11 кг горючего. Следовательно, удельный расход горючего будет

Экономичность двигателя зависит от его конструктивных данных (в частности, от степени сжатия), режима работы и эксплуатационных условий (изношенность цилиндров и поршней, тепловое состояние двигателя, состав смеси, момент зажигания ее, дорожные условия и пр.).