В карбюраторных двигателях воспламенение рабочей смеси происходит с помощью электрического разряда, в дизельных– с помощью высокой степени сжатия. В результате сгорания рабочей смеси образуются газы, которые давят на поршень, придавая ему прямолинейное движение. Прямолинейное движение поршня в дальнейшем с помощью шатуна и коленчатого вала преобразуется во вращательное движение маховика. Для поддержания работы двигателя камера сгорания цилиндра периодически очищается от отработанных газов и наполняется свежим зарядом горючей смеси. Очистку от отработанных газов и наполнение горючей смесью осуществляют выпускные и впускные клапаны.
Перемещаясь в цилиндре, поршень совершает возвратно-поступательное движение. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, которое проходит поршень между верхней и нижней мертвыми точками, называют ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называют тактом, а пространство в цилиндре, освобождаемое поршнем от верхней мертвой точки к нижней, называют рабочим объемом цилиндра.
Наименьшее пространство в цилиндре, образуемое при нахождении поршня в верхней мертвой точке, называют объемом камеры сгорания. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания составляют полный объем цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров называют литражом двигателя. Литраж двигателя выражается в кубических сантиметрах. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называют степенью сжатия, от которой зависят экономичность и мощность двигателя. Мощность и экономичность двигателя повышаются с повышением степени сжатия. Сгорание рабочей смеси происходит при основном рабочем такте, для выполнения которого необходимо выполнить подготовительные такты: впуск горючей смеси, сжатие и выпуск отработанных газов (заключительный такт).
При впуске горючей смеси поршень движется от верхней мертвой точки к нижней, впускной клапан открыт. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разряжение и происходит заполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси. При сжатии поршень движется от нижней мертвой точки к верхней. Впускной и выпускной клапаны закрыты, объем под поршнем уменьшается, рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров топлива с воздухом. При рабочем ходе, во время которого происходит сгорание и расширение, рабочая смесь воспламеняется от электрического разряда в бензиновых двигателях, а в дизельных двигателях воспламенение происходит из-за высокой степени сжатия. Расширяющиеся газы давят на поршень, который перемещается от верхней мертвой точки к нижней. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты. При высоком давлении газов их температура достигает 9000 °C. При выпуске поршень двигается от нижней мертвой точки к верхней, выпускной клапан открыт, отработанные газы из камеры сгорания цилиндров вытесняются. Следующие механизмы и системы двигателя внутреннего сгорания обеспечивают его нормальную работу:
кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов при их расширении и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала;
газораспределительный механизм служит для своевременного впуска в камеру сгорания цилиндра двигателя необходимого заряда горючей смеси и выпуска из него отработанных газов;
система зажигания предназначена для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с целью образования электрического разряда в камере сгорания цилиндра двигателя для воспламенения рабочей смеси (так как воспламенение рабочей смеси в цилиндрах дизельных двигателей происходит за счет высокой степени сжатия, система зажигания в них отсутствует);
система питания служит для приготовления горючей смеси в карбюраторных и газосмесительных двигателях, подачи ее в камеры сгорания цилиндров двигателя и удаления продуктов сгорания (в дизельных двигателях система питания обеспечивает впрыск топлива в мелкораспыленном виде в цилиндры);
система смазки служит для подачи смазки к трущимся поверхностям деталей двигателя, отвода тепла от деталей, уноса механических частиц, образующихся в результате трения, и очистки моторного масла;
система охлаждения предназначена для отвода излишнего тепла от деталей двигателя и поддержания оптимального температурного режима работающего двигателя. Система охлаждения двигателя может быть воздушной или жидкостной.
Периодически повторяющиеся в цилиндре процессы называются тактами. Такты объединяются в рабочий цикл. В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня.
В дизельном двигателе последовательность чередования тактов в рабочих циклах такая же, как и в карбюраторных. Отличие состоит лишь в степени сжатия и способе воспламенения рабочей смеси.
Для того чтобы коленчатый вал вращался равномерно, двигатели делают многоцилиндровыми, а одинаковые такты в разных цилиндрах чередуются в определенной последовательности.
Кривошипно-шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала. В него входят блок цилиндров с картером, головки цилиндров, поршни с кольцами, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик, поддон картера.
Блок цилиндров является основной деталью двигателя. К нему крепятся кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, навесные приборы и агрегаты двигателя. Блок цилиндров отливают вместе с картером из серого чугуна или алюминиевого сплава. В отливке блок-картера имеются полости для смывания охлаждающей жидкостью стенок гильз цилиндров. Гильзы могут быть вставными. Изготавливают их из жаростойкой стали или отливают с чугунным блок-картером. Блоки из алюминиевых сплавов изготовляют только с вставными гильзами. Внутренняя поверхность гильз служит направляющей для перемещения поршня. Она тщательно шлифуется и называется зеркалом. Уплотнение гильз осуществляется с помощью колец из меди или специальной резины. Вверху уплотнение гильз достигается за счет прокладки головки цилиндров. Короткие тонкостенные вставки из кислотоупорного чугуна, запрессованные в верхнюю часть гильз, увеличивают срок их службы в несколько раз. Картер двигателя снизу закрыт поддоном.
На головке цилиндров, которая закрывает цилиндры сверху, размещены детали газораспределительного механизма, камеры сгорания, отверстия под свечи или форсунки, запрессованы направляющие втулки и седла клапанов. Для охлаждения камер сгорания в головке вокруг них имеется специальная полость. Плоскость разъема между головками и блоком цилиндров уплотнена стальными прокладками, а крепление осуществляется шпильками с гайками. Отлиты головки из чугуна или алюминиевого сплава. Сверху они накрыты клапанной крышкой из штампованной стали или алюминиевого сплава. Обычно крышку уплотняют маслобензостойкой резиновой прокладкой.
Поршень представляет собой перевернутый днищем вверх цилиндрический стакан, отлитый из высококремнистого алюминиевого сплава. Он воспринимает давление расширяющихся газов при рабочем такте и передает его через поршневой палец и шатун на коленчатый вал двигателя. Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбку) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня, в которой проточены канавки для поршневых колец. Днище поршня с головкой цилиндров формируют камеру сгорания. Ниже головки выполнена юбка, которая направляет движение поршня. В юбке поршня имеются бобышки с отверстиями под поршневой палец.