Поршневые двигатели внутреннего сгорания по характеру рабочего процесса отличаются на двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением топливовоздушной смеси от электрической искры (бензиновые, газовые) и двигатели с внутренним смесеобразованием и воспламенением смеси от сжатия (дизели). Образующиеся при сгорании в цилиндре смеси топлива и воздуха газы имеют высокую температуру и давление. Расширяясь, газы перемещают поршень и через шатун поворачивают коленчатый вал. Затем отработавшие газы удаляются цилиндра, и он снова заполняется свежей горючей смесью (у дизелей воздухом). Цилиндр заполняется горючей смесью (воздухом) и очищается от отработавших газов через отверстия, закрываемые клапанами. Поршни, соединенные шатунами с кривошипами вала, передвигаясь в цилиндрах, то удаляются от оси кривошипа, то приближаются к ней (рис.1). Положения а максимального удаления поршня от оси кривошипа называется верхней мёртвой точкой (ВМТ), а положение б минимального удаления - нижней мёртвой точкой (НМТ). Расстояние, проходимое поршнем между мёртвыми точками, называется ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня (180 градусов поворота коленчатого вала), называется тактом. Объём над поршнем, находящимся в ВМТ, называется объёмом Vc камеры сгорания. Пространство, освобождаемое поршнем, движущимися от ВМТ к НМТ, называется рабочим объёмом Vh. Сумма объёма камеры сгорания и рабочего объёма составляет полный объём цилиндра Vc+Vh. Сумма рабочих объёмов всех цилиндров называется литражом двигателя. Один из важных показателей двигателя - это его степень сжатия ε=(Vc+Vh)/Vc. Чем больше степень сжатия, тем больше мощность и экономичность двигателя.
Рабочий ход четырёхтактного бензинового двигателя
Рабочий ход четырёхтактного бензинового двигателя состоит из следующих тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание-расширение), выпуск.
Впуск. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндре образуется разрежение и поступает горючая смесь. На индикаторной диаграмме процесс впуска изображён линией ra.
Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается, вследствие чего её температура повышается. На индикаторной диаграмме процесс впуска изображён линией ac.
Рабочий ход. Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и сгорает за 0,001-0,002 сек., выделяя при этом большое количество теплоты. Оба клапана закрыты. На индикаторной диаграмме процесс впуска изображён линией cz. Под действие силы давления газов поршень перемещается к НМТ, вращая через шатун коленчатый вал. В процессе расширения за счет внутренней энергии топлива совершается механическая работа. На индикаторной диаграмме процесс впуска изображён линией zb.
Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень перемещается к ВМТ и очищает цилиндр от отработавших газов, выталкивая их в атмосферу. На индикаторной диаграмме процесс впуска изображён линией br.
Рабочий ход четырёхтактного дизельного двигателя
В цилиндрах двигателя дизеля происходят те же такты, что и в цилиндрах бензинового двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Впуск. Поршень перемещается к НМТ и через открытый впускной клапан цилиндр заполняется воздухом.
Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и при закрытых клапанах сжимает воздух в цилиндре. У дизеля более высокая степень сжатия и как следствие этого выше давление и температура конца сжатия.
Рабочий ход. В конце такта сжатия в цилиндр через форсунку впрыскивается под высоким давление мелкораспылённое топливо, образующее с воздухом смесь, которая воспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха и быстро сгорает, выделяя теплоты. Под действием силы давления газа поршень движется к НМТ, вращая коленчатый вал.
Выпуск. Поршень перемещается к ВМТ, выталкивая через открытый выпускной клапан отработавшие газы в атмосферу.