Ответ на этот вопрос казался простым: изготовить резервуар с горючим газом, например светильным. Газ надо смешать с воздухом, ввести в ци­линдр машины и там воспламенить. Горение и расширение смеси заменят работу пара, топка и котел больше не будут нужны. Подобный двигатель, напоминавший паровую машину, построил еще в 1860 г. французский меха­ник Э. Ленуар. Это был так называемый газовый двигатель. Он был проще парового в обслуживании, но имел очень низкий коэффициент полезного действия (КПД) — всего 4% — и при сравнительно больших размерах развивал малую мощность.

Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 г. Н.-А. Отто совместно с Е. Лангеном (Германия). КПД нового двигателя уже достигал 15%. (Рабочий процесс двигателя совершался в течение че­тырех ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала, поэтому его назвали четырехтактным.) К недостаткам двигателя Отто относятся тихоходность и большая масса (для размещения запаса газа требовался огромный резер­вуар), и двигатель оказался непригодным для  установки на  автомобиль.

Положение изменилось, когда ДВС стал работать на жидком топливе, приобрел быстроходность, компактность и легкость. Наибольший вклад в создание такого двигателя внесли немецкие инженеры Г. Даймлер, В. Май-бах,

Корпус (картер) является основным несущим элементом двигателя. Он может быть выполнен заодно с цилиндром или отдельно. В нижней его части имеются специальные приливы для так называемых коренных под­шипников коленчатого вала. Закрывается он снизу поддоном, образующим резервуар для масла.

Сверху к цилиндру крепится головка, являющаяся элементом камеры сгорания. У некоторых двигателей (например, дизель «Штеер № 1») ци­линдры отливают заодно с головкой, что существенно повышает жесткость конструкции, уменьшает расход масла и пропуск газов во внутреннюю полость двигателя (в картер). Однако технология изготовления таких двигателей весьма сложна. Камера сгорания, образованная головкой ци­линдра, поршнем и стенками цилиндра, может быть цельной (однообъемной)  или разделенной  (обычно у дизелей).

Корпус и цилиндр выполняют из чугуна или алюминиевого сплава, а головку цилиндра — из алюминиевого сплава. В алюминиевый цилиндр обычно вставляют гильзу из износостойкого материала.

Поршень, имеющий форму практически цилиндрического стакана, состоит из головки и юбки. В головке проточены канавки для размещения в них уплотнительных  и  маслосъемных  колец.  Днище  головки  может быть плоским или фигурным (на­пример, дополнительным объемом камеры сгорания). Снизу днище уси­лено ребрами. В переходной части от головки к юбке имеются бобышки (приливы) с отверстиями для порш­невого пальца. Юбка поршня сопри­касается со стенками цилиндра и передает на него боковые усилия. Так как зазор между поршнем и ци­линдром очень мал, для предотвра­щения заклинивания поршня в ци­линдре в прогретом двигателе на юб­ке поршня делают разрез, устанавли­вают компенсирующие вставки из ме­таллов с малым коэффициентом ли­нейного расширения и т. д. Самым распространенным материалом пор­шней являются алюминиевые сплавы.

Поршневые кольца обеспечивают уплотнение зазора между поршнем и цилиндром, не допускают прорыва газов в картер двигателя и попада­ния масла  в камеру сгорания. 

Поршневые   пальцы   служат   ДЛЯ шарнирного   соединения   поршня   с верхней головкой шатуна. Делают их полыми из стали. Чтобы палец не повредил зеркало цилиндра, его фиксируют в осевом направлении либо в поршне, либо шатуне.

Шатун передает усилие от поршня, воспринимающего давление газов при работе двигателя, на коленчатый вал. Он имеет две головки (верх­нюю и нижнюю) и стержень, обычно двутаврового сечения. Нижняя головка делается разъемной, что позволяет легко собрать кривошипно-шатунный механизм двигателя при неразборной конструкции коленчатого вала. Шатуны изготавливают горячей штамповкой из качественной стали.

Коленчатый вал двигателя воспринимает усилия от шатуна и передает создаваемый на нем крутящий момент трансмиссии автомобиля. Он состоит из коренных шеек (опора на корпус), шатунных шеек, щек, соединяющих шатунные и коренные шейки и образующих кривошипы, противовесов, слу­жащих для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил неурав­новешенных масс, носка, на котором крепится шестерня привода механизма газораспределения, шкив ременной передачи и демпфер крутильных коле­баний, фланца для крепления маховика.

Число шатунных шеек у двигателей с однорядным расположением ци­линдров равно числу цилиндров, а V-образных, как правило, половине числа цилиндров, так как на каждой шейке вала таких двигателей уста­навливают по два шатуна. Число коренных шеек бывает разным. Чем больше опор имеет вал, тем надежнее конструкция двигателя. Чтобы увели­чить износостойкость шеек, их поверхности закаливают и тщательно обра­батывают. Каждая шейка снабжается подшипником скольжения, представ­ляющим собой разрезанную втулку вкладыши. Полости внутри шеек используют для подвода масла к подшипникам вала. Одна из коренных опор фиксирует вал в осевом направлении. В местах выхода вала из кор­пуса устанавливают уплотнительные манжеты.

Форма коленчатого вала и расположение его кривошипов зависят от числа и расположения цилиндров двигателя. Для равномерной работы многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы рабочие ходы в отдель­ных цилиндрах чередовались через равные углы поворота коленчатого вала. Так, в четырехцилиндровом рядном двигателе они должны чередоваться через 180°. Для этого коленчатый вал должен иметь кривошипы, рас­положенные в одной плоскости. Возможны два варианта чередования рабо­чих ходов в цилиндрах: 1—2—4—3 и 1—3—4—2, равноценные по обеспече­нию равномерности работы и уравновешенности сил инерции.

Обычно коленчатые валы изготовляют литьем из чугуна или горячей штамповкой из качественной стали с последующей механической обработ­кой.

Размер двигателя (рабочий объем в литрах) определяется диаметром цилиндра и ходом поршня, а также числом цилиндров. Поэтому автомобиль­ные двигатели принято классифицировать по литражу: микро- и малолит­ражные (до 1...2 л), среднего и большого литража (до 4 л и более).

Когда поршень находится в крайнем верхнем положении, над ним в цилиндре остается небольшой свободный объем  камера сгорания. Отношение полного объема цилиндра (пор­шень  находится  в  крайнем   нижнем   положении)   к  объему  камеры  сгорания   называют  степенью сжатия двигателя. У бензиновых ДВС она составляет 6...10 единиц, у дизельных — 15—22 единицы. Чем выше степень сжатия, тем большую мощность может развить двигатель. Однако она ограничивается свойствами используемого топлива и рядом других факторов (например, повышением загрязнения атмосферы вредными для человека и окружающей среды компонентами выхлопа).

По числу цилиндров автомобильные ДВС делятся на 2-, 3-, 4-, 5-, 6- и 8-цилиндровые. Они могут быть расположены в ряд вертикально, наклонно и горизонтально или в два ряда (V-образные, оппозитные). При одинаковом числе цилиндров рядные двигатели имеют большую дли­ну, чем V-образные или оппозитные. Рабочий процесс ДВС может осу­ществляться по 2- и 4-тактному циклам.

Учитывая, что подавляющее боль­шинство автомобильных двигателей являются 4-тактными как наиболее экономичные, рассмотрим именно их рабочий процесс.

Цикл работы 4-тактного карбю­раторного двигателя состоит из сле­дующих тактов: впуск сме­си воздуха и топлива в цилиндр, сжатие ее, горение смеси (рабочий ход) и выпуск отработавших газов. Впуск смеси осуществляется при дви­жении поршня от верхней (ВМТ) к нижней (НМТ) мертвой точке (ВМТ и НМТ — точки, в которых поршень соответственно максимально и мини­мально удален от оси коленчатого ва­ла). Над поршнем возникает разря­жение (примерно 0,08 МПа), и смесь воздуха и топлива из системы пита­ния поступает в цилиндр через впуск­ной трубопровод и открытый впуск­ной клапан.

При дальнейшем вращении ко­ленчатого вала поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Давление смеси топлива с воздухом поднимается до 0,9 МПа, и ее тем­пература возрастает до 300 °С. Что­бы обеспечить полное сгорание топ­лива, смесь в цилиндре поджигают с помощью электрической искры, проскакивающей между электрода­ми свечи, в момент, когда поршень еще не дошел до ВМТ. Это так называемое опережение зажигания. Однако опережение должно быть таким, чтобы в цилиндре не возни­кало слишком большого давления, мешающего движению поршня к ВМТ (это при зажигании), и чтобы топливо успело полностью сгореть (это при позднем зажигании). И в том и другом случае снижается мощ­ность двигателя, увеличивается рас­ход топлива и выброс компонентов, вредных для окружающей среды.

Во время рабочего хода поршень опять движется к НМТ, а оба клапа­на закрыты. Идет процесс горения смеси, давление возрастает до 4 МПа, температура около 2000°С.

Когда поршень подходит к НМТ, открывается выпускной клапан и при дальнейшем движении поршня к ВМТ осуществляется выпуск отработав­ших газов в окружающую среду (давление около 0,11 МПа, температу­ра 800°С).

Таким образом, цикл работы 4-тактного двигателя состоит из трех подготовительных тактов и одного рабочего хода за два оборота колен­чатого вала. Вращение коленчатого вала в течение подготовительных хо­дов происходит за счет энергии, накопленной маховиком во время рабо­чего хода.

Чтобы двигатель работал устойчиво, надо своевременно подавать в ци­линдр смесь топлива и воздуха и очищать его от продуктов сгорания. Для этой цели большинство автомобильных ДВС снабжено клапанным меха­низмом газораспределения. Каждый цилиндр двигателя снабжается как минимум одним впускным и одним выпускным клапанами.

Привод клапанов осуществляется от коленчатого вала двигателя с по­мощью шестерен, цепной или ременной передачи.

Кроме того, нормальная работа двигателя обеспечивается специаль­ными системами: питания, охлаждения, смазки, зажигания (у двигателей с принудительным воспламенением смеси), пуска.

Мощность, развиваемая ДВС на коленчатом валу, зависит главным образом от размеров двигателя, степени сжатия и частоты вращения колен­чатого вала. Большое значение имеет форма камеры сгорания. Желательно, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (меньше потери тепла), в ней отсутствовали и перегретые и переохлажденные зоны. В этом отно­шении полусферическая форма камеры сгорания наиболее предпочтительна, что, однако, приводит к усложнению конструкции двигателя и особенно клапанного механизма газораспределения.

В цилиндр 4-тактного дизельного двигателя всасывается чистый воздух, давление и температура которого при сжатии сильно повышаются (при­мерно до 4 МПа и свыше 500°С). Когда поршень подходит к ВМТ, в камеру сгорания с помощью насоса и форсунки впрыскивается топливо. Оно сме­шивается с горячим воздухом и загорается. Во время рабочего хода давле­ние в цилиндре достигает 10 МПа, а температура превышает 2000°С. Таким образом, детали дизеля более механически и термически нагружены, чем у бензинового двигателя. Поэтому их приходится делать из более качествен­ных материалов и большей толщины, увеличиваются масса, размеры и сто­имость двигателей. Работа дизельного двигателя сопровождается большим шумом.

Однако дизельные двигатели находят все большее применение даже на легковых автомобилях. Главными их преимуществами являются меньший (примерно на 30%), чем в карбюраторных двигателях, расход топлива, а также возможность использования более тяжелых его сортов. Модифика­цией дизельного двигателя является так называемый многотопливный дви­гатель, т. е. способный работать на дизельном топливе, керосине, бензине, спирте.

Дизельные двигатели для легковых автомобилей создают чаще всего на базе бензиновых двигателей с большой степенью унификации, но они су­щественно отличаются друг от друга. В дизельном двигателе самым нагруженным в тепловом и механическом отношении является поршень. Поршни изготавливают из алюминиевых сплавов. Для повышения износостойкости зоны канавки верхнего поршневого кольца, обеспечения прочности бобы­шек для поршневых пальцев и защиты от разрушения днища и кромок полос­ти камеры сгорания применяются поршни специальных конструкций.

Одним из основных путей достижения надежности поршня является обеспечение жесткости конструкции всех его элементов. Это прежде всего касается юбки поршня и достигается сложным профилированием ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях в совокупности с высокой точностью ее изготовления с целью достижения оптимальной величины контактной поверхности юбки поршня с цилиндром, обеспечивающей мини­мальное давление и минимальные потери на трение. Наибольшее распрост­ранение получили поршни с овально-бочкообразным профилем боковой поверхности юбки, что дает возможность уменьшить монтажные зазоры в паре юбка — цилиндр.

Особое внимание уделяется снижению массы поршня за счет уменьшения его высоты, толщины днища, высоты компрессионного-пояса (с поршневыми кольцами), высоты и толщины юбки; уменьшения бобышек; ликвидации приливов для подгонки массы поршня. Однако поршень с малой высотой крайне чувствителен к распределению зазоров по его высоте. Несоблюдение жестких полей допусков на зазоры приводит к повышенному износу.

Одним из путей повышения мощности дизельного двигателя является применение наддува. При этом может быть увеличено наполнение цилинд­ров воздухом, так как он нагнетается компрессором (насосом) под дав­лением 0,15. .0,17 МПа. Появляется возможность увеличить количество подаваемого в цилиндр топлива и обеспечить его полное сгорание, что позволяет, не увеличивая размеров двигателя и не меняя частот вра­щения коленчатого вала, повысить мощность на 20...40%.

Для привода компрессора, подающего воздух в цилиндр, используют обычно энергию отработавших газов. Применяемый при этом турбоком­прессор состоит из двух лопастных колес — турбинного и компрес­сорного, установленных на одном валу. При открытом выпускном клапане поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в газоотводящий патрубок. Через сопловой аппарат они попадают на лопасти рабочего ко­леса турбины, а затем по трубопроводу выходят в атмосферу. Вместе с валом вращается и рабочее колесо компрессора. Оно засасывает воздух через воздухоочиститель и нагнетает его по впускному трубопроводу в цилиндр двигателя при открытом впускном клапане.

Водитель в любых условиях может разобрать, очистить, собрать и отрегу­лировать карбюратор, а для обслуживания насоса высокого давления и фор­сунки дизельного двигателя необходимы специальная аппаратура и более вы­сокая квалификация.

В зависимости от вида используемого топлива двигатели делят на рабо­тающие на жидком (бензин, дизельное топливо) и на газообразном (при­родные и промышленные газы) топливе.

Рабочие процессы и основные характеристики ДВС. В ДВС процессы сжигания топлива, выделения скорости и преобразование ее в механичес­кую работу происходят внутри двигателя. Совокупность различных процес­сов, происходящих в цилиндре в определенной последовательности, назы­вают рабочим циклом. Во время работы двигателя этот цикл периодически повторяется. Из-за возвратно-поступательного движения поршня сгорание            топлива внутри цилиндра возможно лишь последовательными порциями. Полностью использовать теплоту, полученную при сгорании топлива, не­возможно.

Из термодинамики известно, что КПД тепловой машины (в том числе и ДВС) прямо пропорционален разности температур горячего и холодного источников. Чем выше разность температур, тем больше КПД. Существенно повысить разность температур в двигателе можно за счет увеличения температуры горячего источника (продуктов сгорания топлива). В ДВС она составляет 2500°С и более. Длительное время такую высокую темпе­ратуру не могут выдержать даже современные жаропрочные материалы. В поршневых ДВС в результате периодичности процессов детали цилиндра соприкасаются с высокотемпературными газами в течение очень короткого времени: при сгорании топлива и в начале расширения газов (рабочего хода). Для обеспечения сгорания топлива необходимо осуществить подго­товительные процессы (впуск топлива и сжатие). При впуске температура внутри цилиндра немного превышает температуру окружающего воздуха. Благодаря системе охлаждения при очень высокой температуре газов в начале рабочего цикла (горячий источник) нагрев наиболее горячих дета­лей двигателя (поршни и выпускные клапаны) не превышает 500 °С. Та­ким образом, большая разность температур между холодным и горячим ис­точниками (~2000 °С) ДВС обеспечивает ему высокий КПД по сравнению с газовой турбиной или паровой машиной. Организовать рабочий цикл порш­невого двигателя можно по-разному. На рисунке представлены две схемы рабочего цикла двигателя. В двигателях, работающих по первой схеме, топливо и воздух хорошо перемешиваются вне цилинд­ра — получается горючая смесь. В цилиндре горючая смесь дополнительно перемешивается и нагревается, образуя рабочую смесь.

Рабочая смесь воспламеняется в цилиндре от электрической искры, быстро сгорает, и в цилиндре резко повышаются температура и давление. Под действием давления газов поршень перемещается в цилиндре, газы, нагретые до высокой температуры, совершают полезную работу (процесс расширения), а температура и давление газов понижаются. После расшире­ния происходит выпуск газов (очистка цилиндра от продуктов сгорания) и рабочий цикл повторяется.

Для полного сгорания топлива необходимо рабочую смесь воспламе­нять в цилиндре раньше, чем поршень достигнет ВМТ. Чтобы получить максимальную полезную работу при ходе расширения, сгорание топлива должно закончиться при повороте коленчатого вала всего лишь на 10... 15° после ВМТ. С увеличением частоты вращения коленчатого вала время, не­обходимое для сгорания топлива, уменьшается, поэтому угол опережения зажигания надо увеличивать.

При  изменении  нагрузки  на  двигатель  изменяется  плотность  горючей смеси и содержание остаточных газов в цилиндре. Например, при больших нагрузках, когда дроссельные заслонки полностью открыты, плотность смеси увеличивается, содержание остаточных газов уменьшается, рабочая смесь сгорает быстрее и зажигание может происходить позже.

Для повышения КПД двигателей с внешним смесеобразованием увеличи­вать давление при сжатии выше 2 МПа нельзя. Иначе может произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое сгорание (детонация) ра­бочей смеси.

Двигатели с внутренним смесеобразованием имеют более высокий КПД, чем двигатели с внешним смесеобразованием. Цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием заполняется не смесью, а воздухом, который подвергают сильному сжатию. В конце хода сжатия в цилиндр впрыскивают топливо. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются и образуют топливовоздушную смесь. Про­цесс смесеобразования происходит внутри цилиндра. Такие двигатели на­зывают двигателями с внутренним смесеобразованием (дизелями). Воспла­менение смеси происходит в результате высокого сжатия воздуха  (до температуры самовоспламенения смеси). Поджигать смесь не нужно. Чтобы избежать преждевременного самовоспламенения, впрыск топлива начинается только в конце сжатия. Высокая температура в конце сжатия позволяет повысить КПД. Эти двигатели работают на жидком топливе.

ДВС имеют следующие основные характеристики: мощность — N (кВт), крутящий момент — М(Н*м)  и расход топлива за час работы, отнесенный к мощности (так   называемый   удельный   расход  топлива). Основные характеристики двигателей снимают на стендах. Чтобы определить мощность и крутящий момент, нужно знать, как изменяется давление газов в цилиндре во время работы двигателя. Для этого используют индикаторную диаграмму изменения давления в цилиндре по ходу поршня. Свое название «диаграмма» получила от приборов (индикаторов), с помощью которых регистрируется изменение давления внутри цилиндра. Ординаты диаграммы показывают давление газов в цилиндре, а абсциссы — ход поршня и соответствующий ему объем цилиндра.

Площадь индикаторной диаграммы представляет собой работу цикла. У четырехтактных двигателей площадь диаграммы состоит из двух частей: положительная — полученная за такты сжатия и расширения и отрицательная — соответствующая тактам впуска и выпуска. Чем больше положительная площадь диаграммы, тем больше полезная работа двигателя.