Работа двигателей внутреннего сгорания совершается за счет тепловой энергии, выделяющейся в их цилиндрах при сгорании топлива. Газы, образовавшиеся при этом в герметически закрытом цилиндре 1 (см. рис. 1), давят на поршень 2, заставляя его перемещаться и через шатун 3 поворачивать коленчатый вал 4 двигателя. От коленчатого вала приводятся в движение механизмы машины.
В цилиндре карбюраторного двигателя перед воспламенением сжимается смесь паров топлива и воздуха. Различают следующие процессы, составляющие рабочий цикл карбюраторного двигателя (рис. 2): наполнение цилиндра горючей смесью; сжатие смеси и зажигание ее в конце сжатия электрической искрой; сгорание смеси с соответствующим повышением ее температуры и давления и расширение продуктов сгорания; выпуск отработавших газов и очистка цилиндра от продуктов сгорания.
Часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня между двумя крайними положениями (в.м.т. и н.м.т.), называют
тактом.
Рабочий цикл двигателя протекает следующим образом. В первом такте (рис. 2, а) при движении поршня 4 от в. м. т. к н. м. т. в пространстве над поршнем создается разрежение, вследствие чего через карбюратор S, впускную трубу 7 и открытый впуск ной клапан 6 атмосферный воздух устремляется в цилиндр 1.
Проходя с высокой скоростью через карбюратор 8, воздух распыляет топливо и, смешиваясь с ним, заполняет цилиндр горючей смесью, которая перемешивается с остаточными газами от предыдущего цикла и образует так называемую рабочую смесь.
Испарение топлива начинается в карбюраторе, продолжается во впускной трубе и цилиндре. В процессе наполнения смесь подогревается от впускной трубы, клапана, головки цилиндра, цилиндра и поршня. Сообщаемое смеси тепло идет частично на испарение топлива и частично — на повышение температуры смеси.
Затем начинается второй такт — сжатие (рис. 2, б), во время которого поршень перемещается в обратном направлении от н.м.т. к в.м.т. при закрытых клапанах 3 и 6. Рабочая смесь, находящаяся в цилиндре, сжимается до давления 0,8—1,5 МПа (8— 15 кгс/см2). Температура сжатой смеси достигает 300—450 °C.
До прихода поршня в в.м.т. рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, возникающей между электродами свечи 5 зажигания, которая установлена в головке цилиндра 1. В результате сгорания топлива температура образовавшихся газов повышается до 1900—2400 °C, а давление — до 2,5—4,5 МПа.
Третий такт — рабочий (рис. 2, в) начинается движением поршня вниз под действием давления образовавшихся продуктов сгорания. Шарнирно связанный с поршнем шатун 9 совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал 10. В конце такта давление газов уменьшается до 0,3—0,5 мПа.
Перед достижением поршнем н. м. т. открывается выпускной клапан
3 и под действием избыточного давления отработавшие газы начинают выходить из цилиндра в атмосферу (свободный выпуск).
Более полное вытеснение отработавших газов (рис. 2, г) совершается в четвертом такте — выпуске при очередном перемещении поршня из н.м.т. в в.м.т.
После прохождения поршнем в.м.т. закрывается выпускной клапан 3 и рабочий цикл заканчивается. Новое движение поршня к н.м.т. является началом следующего цикла.
Каждый из рабочих процессов карбюраторного двигателя имеет свои характерные особенности. Во время впуска цилиндр должен быть заполнен возможно большим количеством горючей смеси, чтобы при данном рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала двигателя получить наибольшую мощность. Это достигается соответствующим выбором конструкции и размеров впускной системы двигателя. С этой же целью впускной клапан открывается за 5—20° (по углу поворота коленчатого вала) до прихода поршня в в.м.т., а закрывается на 40—70° позже прихода поршня в н.м.т.
Скорость открытия клапанов не может быть больше определенного значения. Начало открытия впускного клапана с опережением при водит к тому, что уже в начале такта наполнения клапан несколько приоткрыт и поэтому может без задержки начинаться впуск свежей смеси в цилиндр. Запаздывание закрытия впускного клапана обеспечивает поступление в цилиндры некоторого дополнительного количества смеси по инерции. Моменты открытия и закрытия клапанов (фазы газораспределения) показаны на рис. 3.
Основное назначение сжатия состоит в том, чтобы создать условия, необходимые для возможно лучшего воспламенения и сгорания рабочей смеси и получения высокого КПД. Сжатие смеси проходит при непрерывном изменении ее температуры и теплообмена между смесью и окружающими ее деталями. В начале сжатия температура смеси ниже температуры деталей, поэтому смесь подогревается при соприкосновении с ними. Дальнейшее сжатие смеси приводит к повышению ее температуры, в результате чего теплота передается от смеси к деталям и через них — в систему охлаждения. Температура и давление в конце такта сжатия зависят от степени сжатия, величина которой в зависимости от рода топлива, типа камеры сжатия и других факторов ограничивается в карбюраторных двигателях возможностью сгорания части смеси, наиболее удаленной от свечи зажигания (явление детонации).
Сгорание топлива должно быть наиболее полным. Неполное сгорание топлива приводит к повышенному его расходу и, следовательно, к снижению экономичности работы двигателя. Топливо в рабочей смеси сгорает полностью при достаточном количестве воздуха. Теоретически для полного сгорания 1 кг нефтяного топлива требуется 14—15 кг воздуха. Такую смесь называют нормальной, В действительности в цилиндры вводится рабочая смесь с количеством воздуха, отличающимся от теоретически необходимого. В бедной смеси имеется избыток воздуха, а в богатой — избыток топлива.
Работа карбюраторного двигателя на большинстве режимов осуществляется при наличии в смеси воздуха в пределах 0,85—1,15 от теоретически необходимого. Отклонение от указанных значений вызывает нарушение нормальной работы двигателя: увеличенный расход топлива, падение мощности, нагарообразование в цилиндре и на днище поршня. При работе на богатой смеси двигатель развивает наибольшую мощность. При работе на бедной смеси увеличивается эффективный КПД.
В период, следующий за пробоем искрового промежутка, выделяется мало тепла и почти не происходит увеличения давления в цилиндре. Давление в цилиндре начинает повышаться с некоторым запаздыванием по отношению к моменту зажигания. После этого рабочая смесь горит достаточно быстро, но все же с момента ее воспламенения до момента почти полного сгорания проходит определенное время, за которое коленчатый вал поворачивается на некоторый угол. Для повышения эффективности работы двигателя рабочую смесь воспламеняют до прихода поршня в в.м.т. Подача искры осуществляется за 25—29° до в.м.т., а заметное повышение давления в результате сгорания начинается за 5—15° до в.м.т. Наибольшее давление в цилиндре достигается через 10—15° после в.м.т., а сгорание практически завершается еще через 10—15°. Под давлением газов поршень перемещается вниз — совершается рабочий ход. По мере удаления поршня от в.м.т. давление в цилиндре постепенно уменьшается.
За 40—60° до н.м.т. открывается выпускной клапан и начинается выпуск отработавших газов. В результате опережения открытия выпускного клапана уменьшается работа, затрачиваемая на выталкивание газов из цилиндра при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., так как еще до этого процесса значительная часть отработавших газов под действием избыточного давления выходит из цилиндра с большой скоростью. Закрытие выпускного клапана происходит через 10—25° после в.м.т. Этим достигается лучшая очистка цилиндра от отработавших газов, которые, имея большую скорость, продолжают еще некоторое время выходить из цилиндра. При более раннем закрытии выпускного клапана в конце такта выпуска происходит заметное повышение давления с соответствующим увеличением количества остаточных продуктов сгорания. Удалить все отработавшие газы невозможно, часть их неизбежно остается в цилиндре, переходя от каждого предыдущего цикла к последующему в виде остаточных газов.