Если в цилиндр (рис. 76) ввести заряд горючей смеси и затем его поджечь (предположим, электрической искрой), то выделится большое количество тепла и давление в цилиндре повысится. Давление расширяющихся газов будет передаваться во все стороны, в т.ч. и на поршень, заставляя его перемещаться. В свою очередь, поршень шарнирно соединен с верхней головкой шатуна при помощи пальца, а нижняя головка шатуна подвижно закреплена на шейке коленчатого вала, поэтому при перемещении поршня вместе с шатуном вращается коленчатый вал и закрепленный на его конце маховик.
Рис. 76. Устройство одноцилиндрового карбюраторного двигателя: 1 - шестеренчатый привод механизма газораспределения; 2 - кулачки распределительного вала; 3 - толкатель клапана; 4 - пружина клапана; 5 - карбюратор; 6 - клапаны; 7 - свеча зажигания; 8 - головка цилиндра; 9 - рубашка охлаждения; 10 - поршень; 11 - поршневой палец; 12 - шатун; 13 - водяной насос; 14 - маховик; 15 - кривошип колвчатого вала; 16 - коленчатый вал; 17 - нижняя часть картера; 18 - масляный насос
При этом прямолинейное движение поршня при помощи шатуна и коленчатого вала преобразуется во вращательное движение достаточно массивного маховика, который во время рабочего хода "аккумулирует" энергию, затем отдает ее, вращая коленвал. Чтобы двигатель продолжал работать, необходимо периодически очищать цилиндр от отработавших газов и заполнять его свежей горючей смесью. Эта операция осуществляется через два отверстия (выпускное и впускное), закрываемое клапанами. При расширении газов в цилиндре поршень, перемещаясь вниз, возобновляет запас энергии маховика, за счет которой поршень перемещается вверх. Во время перемещения поршня вверх клапан выпускного отверстия открывается и отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу. При достижении верхнего положения поршнем клапан выпускного отверстия закрывается. Маховик продолжает вращаться, поршень идет вниз, в цилиндре создается разрежение и через открытое впускное отверстие цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси. Далее, при движении поршня вверх и закрытых клапанами обоих отверстиях смесь сжимается, в верхней мертвой точке поршня ее воспламеняют искрой и все процессы последовательно повторяются. Крайние положения, в которых поршень меняет движение на противоположное, соответственно называются верхней и нижней мертвой точкой (рис. 77). Расстояние, проходимое поршнем между ними называется ходом поршня (S). Процесс, происходящий внутри цилиндра за один ход поршня называется тактом. В четырехтактных ДВС (рис. 78) рабочий процесс совершается за два оборота коленчатого вала (за четыре хода поршня), в двухтактных - за один оборот коленчатого вала (за два хода поршня).
Рис. 77. Мертвые точки и объемы цилиндра
Рис. 78. Характеристика рабочего процесса двигателя: 1 - впускной клапан; 2 - выпускной клапан; 3 - днище поршня; 4 - юбка поршня; 5 - верхняя мертвая точка (в.м.т.); б - нижняя мертвая точка (н.м.т.); 7 - ход поршня; 8 - камера сгорания.
Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при движении между мертвыми точками называется рабочим обьемом цилиндра (Vh). Рабочий объем (литраж) двигателя (Vл) равен сумме рабочих объемов всех цилиндров, выраженной в литрах.
где:
D - диаметр цилиндра, см
S - ход поршня, см
i -
число цилиндров.
Объем между крышкой цилиндра и днищем поршня в его верхней мертвой точке называется обьемом камеры сгорания. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания вместе составляют полный объем цилиндра. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Удельный расход топлива - расход топлива в праймах на 1 л/с в час. Наименьший удельный расход топлива при полной нагрузке составляет: для карбюраторных двигателей 200-230 г/л.с.ч.( для дизельных - 160-190 г/л.с« Например, удельный расход топлива отечественных двигателей составляет: дизельный двигатель ЗД6 -170 г/л.сс карбюраторный М-8-ЧСПУ100 - 240 г/л.с.ч М - 412Э ("Москвич-) - 225 г/л.с.ч.; ПЛМ "Вихрь-30"-380 г/л.с.ч.
Рис. 79. Схема действия двухтактного карбюраторного двигателя: 1 - картер; 2 - коленчатый вал; 3 - противовес; 4 - продувочный канал; 5 - поршень; 6 - дефлектор; 7 - цилиндр; 8 - полость охлаждения; 9 - свеча зажигания; 10 - выпускной канал; 11 - канал подачи горючей смеси от карбюратора в картер; 12 -карбюратор; 13 - шатун; 14 - кривошип коленчаотого вала
Продувочные окна сообщаются с картером двигателя, выпускные - с атмосферой, причем выпускная система двухтактного двигателя ПЛМ отличается от систем выпуска стационарных двухтактных или мотоциклетные двигателей, т.к. вывод отработавших газов осуществляется не в воздух, а под воду и глушитель, как таковой, отсутствует.
Причем, технико-экономические показатели двухтактного двигателя в значительной степени зависят от подбора размеров и конфигурации элементов системы выпуска и времени открытия выпускного окна. Горючая смесь из карбюратора поступает сначала в картер, где она при движении поршня вверх проходит стадию предварительной сжатия и затем, после открытия верхней кромкой поршня продувочного окна, заполняет полость цилиндра. Воспламенение смеси означает начало первого такта - рабочего хода (расширения). Поршень движется вниз, открывает выпускное окно, отработавшие газы выходят в атмосферу. Затем поршень открывает продувочное окно и цилиндр заполняется свежей горючей смесью. Продувочное окно всегда открывается позднее выпускного. За этот период происходит свободный выпуск газов из цилиндра, давление в нем резко падает. К момент открытия продувочного окна давление в цилиндре должно оказаться ниже давления в картере - иначе произойдет выброс отработавших газов вместо атмосферы в картер и их смешивание со свежей горючей смесью. Если процессы сжатия, сгорания и расширения в двух и четырехтактных двигателях аналогичны, то очистка цилиндра от отработавших газов и наполнение свежей смесью существенно различаются. В четырехтактном двигателе основная масса отработавших газов вытесняется поршнем при его движении к в.м.т.. то в двухтактном - очистка производится свежей смесью, предварительно сжатой в картере, при открытых продувочных и выпускных окнах, т.е. продувка и выпуск происходят одновременно.
Существует несколько систем продувок - контурная, прямоточная и т.д. В отечественных двухтактных двигателях повсеместно применяется достаточно эффективная и конструктивно простая, т.н. двухканальная возвратно-петлевая схема продувки, когда поршень, при его дальнейшем движении вниз вытесняет свежую горючую смесь из нижней полости цилиндра в верхнюю, где она описывает петлю и выталкивает отработавшие газы. С момента закрытия поршнем продувочного и выпускного окон начинается второй такт - сжатие. Во время этого же хода поршня в результате разрежения, создаваемого его юбкой, в картер поступает из карбюратора новая порция горючей смеси. При подходе поршня кв.м.т. горючая смесь над поршнем воспламеняется, поршень идет вниз, цикл повторяется. На всех отечественных лодочных моторах вывод газов в воду производится через наклонный канап, патрубок которого расположен в потоке воды, отбрасываемой винтом, поэтому в зоне патрубка создается разрежение, способствующее отсасыванию продуктов сгорания из выпускной системы. Еще большее разрежение создается при выпуске газов через ступицу гребного винта, при этом значительно снижается уровень шума, но эта конструкторская находка значительно усложняет конструкцию редуктора и приводит к увеличению диаметра ступицы, что также нежелательно для моделей двигателей средней и малой мощности.
Как двухтактные, так и четырехтактные двигатели изготовляются обычно многоцилиндровыми: двух, четырех, шести, восьми, двенадцати, двадцати, пятидесяти и т.д., т.к. в таких ДВС вспомогательные ходы совершаются за счет рабочего хода в одном из цилиндров, совпадающими со вспомогательным ходом в других цилиндрах. При этом чередование рабочего хода в цилиндрах совершается в строго определенной последовательности, которая называется порядком работы цилиндров. Для четырехтактных ДВС наиболее часто применяется порядок работы цилиндров 1-3-4-2 или 1-2-4-3 для шестицилиндровых 1-5-3-6-2-4 причем расположение цилиндров может быть однорядным, двухрядным (V-образным), звездой, а угол между ними 10º, 75°. 90°.
