ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Основан на преобразовании тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива внутри цилиндра с подвижным торцом-поршнем, в механическую работу. Цилиндр с одного конца открыт, с другого - заканчивается герметичной камерой сгорания. Возвратно-поступательное движение поршня вдоль внутренней поверхности цилиндра как по направляющей вызывает вращение коленчатого вала, который через шатун связан с поршнем.
На поршень действуют силы давления горячих расширяющихся газов, которые образуются в камере сгорания при воспламенении в ней паров топлива. Через поршень и шатун вращение передается массивному коленчатому валу. Он продолжает вращаться по инерции и после того, как силы давления уже не действуют. Поршень движется за счет накопленной коленчатым валом энергии до тех пор, пока снова не начнут действовать силы давления расширяющихся газов. При периодическом действии этих сил коленчатый вал вращается непрерывно.
В карбюраторном двигателе в качестве топлива используют бензин. В цилиндр поступает горючая, смесь, приготовленная в карбюраторе из мелкораспыленного бензина и воздуха. В камере сгорания горючая смесь вместе с остатками отработавших газов образует рабочую смесь, которая сжимается поршнем и воспламеняется электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания. Удаление отработавших газов и заполнение цилиндра горючей смесью называют процессом газообмена.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВИГАТЕЛЯ. Положение поршня в цилиндре характеризуют двумя крайними точками, в которых поршень "замирает" перед тем, как изменить направление движения: верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует, поворот коленчатого вала на полоборота, за полный оборот поршень делает два хода. Процесс, происходящий в цилиндре во время одного хода поршня, называют тактом.
В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в двигателе возможно лишь отдельными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов. Совокупность процессов, которые сопровождают сгорание отдельной порции топлива, называют рабочим циклом двигателя. Во время работы двигателя рабочие циклы периодически повторяются.
Если рабочий цикл выполняется за четыре такта, двигатель называют четырехтактным, если за два - двухтактным. Однако из-за меньшей длительности двухтактного рабочего цикла усложняется процесс газообмена.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода (сгорания-расширения) и выпуска (рис. 6). Впуск рабочей смеси и выпуск отработавших газов производится с помощью впускного и выпускного клапанов, работой которых управляет специальный механизм, связанный с коленчатым валом.

Рис. 6. Рабочий цикл четырехтактного двигателя:
а - впуск; б - сжатие; в - рабочий ход; г - выпуск; 1, 2 - впускной и выпускной клапаны

На такте впуска горючей смеси поршень движется от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт, выпускной - закрыт. Под действием разрежения, которое образуется над поршнем, в цилиндр поступает приготовленная карбюратором горючая смесь.
На такте сжатия горючей смеси поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. По мере движения поршня образованная рабочая смесь сжимается, в цилиндре растут давление и температура.
На такте рабочего хода поршень движется под действием расширяющихся газов, которые образуются в результате воспламенения рабочей смеси, сжатой в камере сгорания. Оба клапана по-прежнему закрыты.
На такте выпуска отработавших газов открыт выпускной клапан, и поршень движется от НМТ к ВМТ. Газы, обладая все еще большим запасом энергии (высокими давлением и температурой), устремляются из цилиндра. Этому помогает поршень, выталкивая их.
В рабочем цикле четырехтактного двигателя процесс газообмена занимает два отдельных такта: впуска и выпуска. Во время этих тактов поршень в цилиндре работает как воздушный насос.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Цикл вдвое короче за счет совмещения процесса газообмена с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий процесс двухтактного двигателя протекает не только над поршнем, но и под ним - в герметичной кривошипной камере. В двигателе нет впускных и выпускных клапанов: впуск горючей смеси в цилиндр осуществляется через продувочное окно, выпуск - через выпускное окно. В отличие от четырехтактного двигателя отработавшие газы вытесняются не поршнем, а сжатым зарядом свежей горючей смеси. Этот процесс называют продувкой, роль "продувочного" воздушного насоса выполняет кривошипная камера.
Рабочий цикл двухтактного двигателя показан на рис. 7. Перемещаясь от НМТ к ВМТ, поршень закрывает продувочное и выпускное окна, начинается сжатие рабочей смеси. После воспламенения смеси расширяющиеся газы перемещают поршень в обратную сторону. Двигаясь к НМТ, поршень открывает выпускное окно, и отработавшие газы выходят в атмосферу. Продолжая движение к НМТ, поршень открывает продувочное окно, через которое горючая смесь, предварительно сжатая в кривошипной камере, поступает в цилиндр и вытесняет остатки отработавших газов в выпускное окно.

Рис. 7. Рабочий цикл двухтактного двигателя с золотниковым впуском:
а - над поршнем сжатие, под поршнем впуск; б - над поршнем рабочий ход (расширение), под поршнем сжатие; в - продувка; 1- кривошипная камера; 2 - продувочный канал; 3 - выпускное окно; 4 - впускное окно.

В это же время под поршнем происходят следующие процессы. Как только при движении от НМТ к ВМТ поршень перекрывает продувочное окно, под ним создается разрежение, благодаря чему в кривошипную камеру через впускное окно засасывается горючая смесь, приготовленная карбюратором. При обратном движении поршня в течение рабочего хода и выпуска отработавших газов горючая смесь в кривошипной камере сжимается, и как только поршень откроет продувочное окно, сжатая смесь устремляется через это окно в цилиндр. Осуществляется его продувка свежей горючей смесью.
Таким образом, в рабочем цикле двухтактного двигателя на первом такте происходит впуск горючей смеси в цилиндр (продувка) и сжатие в нем рабочей смеси, на втором такте - рабочий ход, предварительное сжатие горючей смеси в кривошипной камере, выпуск отработавших газов и продувка цилиндра горючей смесью из кривошипной камеры. Если над поршнем происходит рабочий ход, то под ним - сжатие, если под поршнем - впуск, то над ним - продувка и сжатие.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. Для нормального протекания процессов газообмена нужно, чтобы клапаны или окна цилиндра были открыты в течение определенной части рабочего цикла. Продолжительность такого состояния клапанов или окон измеряют градусами поворота коленчатого вала и называют фазами газораспределения. Эти фазы удобно рассматривать с помощью круговых диаграмм газораспределения, на которых рабочие циклы изображены в виде окружностей, соответствующих полным оборотам коленчатого вала.

Рис. 8. Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя:
1-впуск; 2 - сжатие; 3 - рабочий ход; 4 - выпуск; 5 - опережение впуска; 6 - перекрытие клапанов; 7 - запаздывание выпуска; 8 - опережение выпуска; 9 - запаздывание впуска.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала, поэтому диаграмма газораспределения двигателя имеет вид спирали с двумя полными витками. Такты на витках спирали следуют один за другим (рис. 8). Рабочий цикл двухтактного двигателя изображается на диаграмме газораспределения одной окружностью для процессов над поршнем (в цилиндре) и второй - для процессов под поршнем (в кривошипной камере). Верхняя точка пересечения окружностей с вертикальной линией диаметра есть ВМТ, нижняя - НМТ (рис. 9).
В четырехтактном цикле процессы газообмена занимают два отдельных такта: впуска и выпуска. В реальном двигателе клапаны открываются и закрываются не строго на границах соответствующих тактов, а с некоторым опережением и запаздыванием (рис. 8).
Впускной клапан открывается еще в конце такта выпуска, а закрывается уже в начале такта сжатия (на диаграмме газораспределения - опережение и запаздывание впуска). Это обеспечивает лучшее наполнение цилиндра за счет инерционного напора горючей смеси во впускном трубопроводе.

Рис. 9. Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя с золотниковым впуском:
1 - впуск в картер; 2 - сжатие в картере; 3 - продувка; 4 - выпуск; 5 - сжатие в цилиндре; 6 - рабочий ход.

Выпускной клапан открывается с опережением еще в конце такта рабочего хода, что позволяет отработавшим газам выходить из цилиндра под собственным избыточным давлением (раньше, чем их начинает выталкивать поршень). Закрывается выпускной клапан с запаздыванием - уже в начале такта впуска, что обеспечивает лучшую очистку цилиндра, так как отработавшие газы в это время продолжают выходить из цилиндра по инерции (на диаграмме газораспределения - опережение и запаздывание выпуска).
Таким образом, в течение некоторого времени - между тактом выпуска и впуска - открыты оба клапана. Интервал углов поворота коленчатого вала, соответствующий такому состоянию клапанов, называют перекрытием клапанов. Это явление способствует лучшему наполнению цилиндра благодаря "подсасывающему" эффекту столба отработавших газов, перемещающихся в выпускном трубопроводе.
В двухтактном цикле процесс газообмена совмещен с тактами сжатия и рабочего хода. Он осуществляется вблизи НМТ, начинаясь с момента, когда поршень открывает выпускное окно, и заканчиваясь, когда поршень его закрывает. Поскольку продувочное окно расположено в цилиндре на большем расстоянии от камеры сгорания, чем выпускное, процесс продувки начинается позже и заканчивается раньше, чем процесс выпуска. Заполнение цилиндра горючей смесью происходит все время при открытом выпускном окне, поэтому на диаграмме фаза выпуска всегда больше фазы продувки (рис. 9).
Главная особенность процессов выпуска и продувки двухтактного двигателя - симметричность их фаз относительно НМТ. Это объясняется тем, что выпускное и продувочное окна открываются и закрываются при одном и том же положении поршня в цилиндре, которому соответствуют одинаковые углы поворота коленчатого вала относительно НМТ.
У процесса в кривошипной камере фазы впуска горючей смеси, сжатия ее и продувки всегда следуют друг за другом. Характер же фазы впуска (момент ее начала, симметричность или несимметричность) зависят от конструкции двухтактного двигателя, в частности, от того, как происходит в нем управление впуском горючей смеси от карбюратора в кривошипную камеру.

ОПЕРЕЖЕНИЕ ЗАЖИГАНИЯ. Если бы рабочая смесь сгорала мгновенно, ее нужно было бы воспламенять в конце такта сжатия, т. е. в момент, когда поршень находится в ВМТ. В действительности смесь сгорает не мгновенно, а с некоторым периодом задержки от момента появления искры на свече зажигания до момента наибольшего давления в цилиндре, причем это давление нарастает постепенно. Чтобы наилучшим образом преобразовать силы давления расширяющихся газов в механическую энергию коленчатого вала, искра должна возникнуть еще до прихода поршня в ВМТ, т. е. с опережением зажигания.
Углом опережения зажигания называют угол, на который поворачивается коленчатый вал с момента появления искры до момента прихода поршня в ВМТ. Для заданных условий работы у двигателя определенной конструкции существует оптимальный угол опережения зажигания, при котором достигаются наибольшая мощность и наилучшая экономичность.
Период задержки нарастания давления после появления искры, а следовательно, и оптимальный угол опережения зажигания зависят от ряда эксплуатационных и конструктивных факторов: качества топлива, состава и температуры горючей и рабочей смесей, числа оборотов, конструкции впускного тракта, формы камеры сгорания и т. п. Причем на холостом ходу и для облегчения пуска двигателя угол опережения зажигания должен быть близким к нулю.
Для уменьшения износа и повышения экономичности двигателя оптимальный угол опережения зажигания должен сохраняться при любых условиях эксплуатации. С этой целью в конструкциях двигателей предусмотрены автоматические и ручные устройства для регулировки опережения зажигания.
В четырехтактных двигателях оптимальный угол опережения зажигания увеличивается с ростом числа оборотов и процентного содержания отработавших газов в рабочей смеси. Но количество этих газов в цилиндре практически неизменно при любом режиме работы двигателя, поэтому оптимальный угол опережения зажигания уменьшается по мере увеличения количества горючей смеси, поступающей в цилиндр. В связи с этим автоматические регуляторы угла опережения зажигания реагируют на изменение числа оборотов - (центробежные регуляторы) и количества горючей смеси, поступающей от карбюратора (вакуумные регуляторы). Иногда предусматривается ручная регулировка начального угла опережения зажигания в зависимости, например, от качества бензина (октан-корректоры).
У двухтактных двигателей оптимальный угол опережения зажигания практически не зависит от числа оборотов, поэтому центробежные регуляторы, могут применяться только для установки нулевого угла опережения зажигания при пуске двигателя. Автоматическая регулировка опережения зажигания требуется только в зависимости от количества горючей смеси, поступающей в кривошипную камеру.
Существующие автоматические регуляторы не учитывают всех эксплуатационных факторов, влияющих на величину оптимального угла опережения зажигания. В то же время в механических установках маломерных судов нет тех возможностей по использованию мощности двигателя, которые имеются, например, у автомобилей и мотоциклов с их коробками передач, когда недобор мощности из-за неоптимального опережения зажигания можно отчасти скомпенсировать переходом к другому передаточному числу коробки передач. По этой причине, например, глиссирующее судно может не преодолеть "горб" кривой сопротивления воды, хотя могло бы это сделать при соответствующей ручной корректировке угла опережения зажигания. В связи с этим для двигателей маломерных судов желательно предусматривать ручную регулировку угла опережения зажигания на ходу судна.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЯ. К ним относятся диаметр цилиндра, ход поршня, число цилиндров, рабочий объем двигателя, степень сжатия, а также масса и размеры. Рабочий объем двигателя равен сумме рабочих объемов всех его цилиндров. Рабочий объем - это объем между НМТ и ВМТ.
Степенью сжатия называют безразмерную величину, которая показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси, находящейся в цилиндре, при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Принято различать геометрическую и действительную степени сжатия.
Геометрическая степень сжатия равна отношению полного объема цилиндра (рабочего объема цилиндра вместе с объемом его камеры сгорания) к объему камеры сгорания.
Действительная степень сжатия учитывает "потерю" рабочего объема цилиндра, которая приходится на ту часть хода поршня, когда открыты выпускные окна двухтактного двигателя или впускной клапан четырехтактного двигателя - в течение фазы запаздывания впуска. Разница между геометрической и действительной степенями сжатия довольно существенна, порядка 25 %. Но с ростом частоты вращения коленчатого вала она сглаживается за счет инерционности масс газов, участвующих в процессах газообмена, поэтому в оценках и расчетах двигателей принято пользоваться понятием геометрической степени сжатия.

14.04.03