Двигатель [рис. 1, А)] включает в себя блок-картер, головку блока цилиндров, кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы питания электрооборудования, охлаждения и смазки.
Рис. 1. Двигатель внутреннего сгорания.
А) – Основные сборочные единицы и размеры поршневого двигателя;
1) – Блок-картер с водяной рубашкой;
2) – Поршень с шатуном;
3) – Головка цилиндров с клапанами;
4) – Коленчатый вал;
5) – Поддон для масла;
6) – Пусковой электростартер;
d – Диаметр цилиндра;
r – Радиус кривошипа;
S – Ход поршня;
Рп, Рн, Рш, T, Z – силы, которые действуют в кривошипном механизме двигателя;
Б) – Рабочий цикл одноцилиндрового двигателя;
I – Такт впуска;
II – Такт сжатия;
III – Такт расширения;
IV – Такт выпуска;
1) – Цилиндр;
2) – Выпускная труба;
3) – Выпускной клапан;
4) – Поршень;
5) – Искровая свеча зажигания;
6) – Впускной клапан;
7) – Впускная труба;
8) – Карбюратор;
9) – Шатун;
10) – Коленчатый вал.
Кривошипно-шатунный механизм размещён в блок-картере (1). Основными деталями механизма являются коленчатый вал, поршни и шатуны.
В процессе работы двигателя поршни направляются гильзами цилиндров, которые установлены в расточках блока по паре поясков, и совершают возвратно-поступательное движение.
Шатуны вместе с коленчатым валом преобразуют данное движение во вращательное.
Суммарная сила (Рп) от давления газов и инерционных сил (создаются движущимися поступательными массами) через шатун воздействуя составляющей (Рш) на коленчатый вал, раскладывается на силу (Z) и касательное усилие (T), образующее на плече (r) крутящий момент, который изменяется в зависимости от угла поворота коленвала.
Схема работы четырёхтактного карбюраторного двигателя с тактами впуска (I), сжатия (II), расширения (рабочий ход) (III) и выпуска (IV) показана на [рис. 1, Б)].
Среднее значение суммарного (по всем цилиндрам) момента даёт индикаторный (теоретический) крутящий момент двигателя. Эффективный (действительный) крутящий момент будет меньше вследствие условных механических потерь в механизмах двигателя.
Полный объём цилиндра (Va) состоит из объёма камеры сгорания (Vc) и рабочего объёма (Vh), который описывает поршень в процессе перемещения от одной мёртвой точки к другой:
Vh=(πd2/4)S,
где d – диаметр поршня (мм), S – ход поршня (мм).
Отношение полного объёма цилиндра (Va) к объёму камеры сгорания (Vc) носит название степень сжатия (ε):
ε=Va/Vc.
Суммарный рабочий объём цилиндров (выражается в литрах) – литраж двигателя.
Произведение эффективного крутящего момента на частоту вращения коленчатого вала определяет значение развиваемой двигателем мощности. Эффективная мощность двигателя определяется из выражения:
Ne=Mкn/9550,
где Mк – тормозной момент двигателя (Н•м), n – частота вращения коленчатого вала (об/мин).
Крутящий момент, частота вращения коленчатого вала, а также мощность определяются методом торможения двигателя с применением специальных тормозных стендов.
В процессе подсчёта мощности двигателя необходимо помнить, что при четырёхтактном процессе в каждом цилиндре рабочий ход происходит один раз за пару оборотов, а в двухтактных двигателях – за один оборот.
В двухтактных двигателях вследствие большого теплового напряжения всегда доза сжигаемого топлива меньше, за счёт чего снижается крутящий момент. Также мощность снижается из-за потери части хода поршня, которая отводится на продувку. При двухтактном цикле возрастают условные потери на трение вследствие затраты мощности на привод нагнетателей, которые обеспечивают продувку, а также подачу воздуха в цилиндры двигателя.
Данные факторы явились определяющими в приоритетном распространении четырёхтактных двигателей на комбайнах, автомобилях и тракторах ввиду их большей надёжности и экономичности, а также в отсутствии необходимости наличия специальных дополнительных устройств, которые необходимы для двухтактного цикла.