В ДВС превращение теплоты, которая выделяется при сгорании горючей смеси, в механическую работу осуществляется с помощью газового рабочего тела, состояние которого изменяется на протяжении всего рабочего цикла. Под действием газов в камере сгорания, которая ограничена поршнем, головкой и стенками цилиндра, поршень выполняет обратно-поступательное движение, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное.
Рисунок 2 - Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя
внутреннего сгорания.
- диаметр поршня, 
- высота рабочей камеры, 
- высота камеры сгорания, 
- длина шатуна, 
- радиус кривошипа коленчатого вала.
За один поворот коленчатого вала поршень дважды перемещается между своими крайними положениями - верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мёртвыми точками (рисунок 2). Расстояние между ними называется ходом поршня 
, м:
, (4)
где R - радиус кривошипа коленчатого вала, м.
Отношение радиуса кривошипа к его длине в современных двигателях
(5)
Одним из важнейших параметров, которые обусловливают среднюю скорость движения поршня и основные геометрические параметры двигателя, есть отношение хода поршня к диаметру цилиндра (поршня). Как правило, это отношение называют показателем быстроходности и в современных двигателях находится в пределах:
(6)
Если 
- такой двигатель называется короткоходным. При 
двигатель считается долгоходным. В современном двигателестроении при производстве высокоскоростных двигателей для частичного уменьшения средней скорости поршней используются короткоходные двигатели.
Объём цилиндра, который образуется между ВМТ и НМТ называется рабочим объёмом 
. Суммарный рабочий объём (литраж) 
всех цилиндров двигателя есть одним из основных параметров, которые характеризуют двигатель и автомобиль в целом. Рабочий объём двигателя с количеством цилиндров i равен:
, 
(7)
Объём над поршнем и головкой двигателя, в момент, когда он находится в ВМТ, называется объёмом камеры сгорания 
. Сумму рабочего и объёма камеры сгорания называют полным объёмом 
цилиндра.
Полный объём всего двигателя:
, (8)
Важным параметром, от которого зависит рабочий процесc двигателя, есть степень сжатия 
. Она представляет собой отношение полного объёма к объёму камеры сгорания:
(9)
Между степенью сжатия и важнейшими параметрами двигателя, его мощностью и экономичностью существует прямая зависимость. Но при значительном увеличении степени сжатия температура в цилиндрах двигателя значительно повышается, что может привести к такому явлению, как детонация - взрывоподобное сгорание горючей смеси.
Во время детонации детали двигателя, в первую очередь поршни, воспринимают большие ударные нагрузки. Поэтому работа двигателя при таких условиях недопустима в целях предотвращения разрушения его деталей. В ДВС с определённой степенью сжатия вероятность возникновения детонации зависит от детонационной стойкости горючего, на котором работает двигатель. Для бензинов марки "АИ" она исчисляется октановым числом - 76, 78, 82, 92, 93, 95, 96, 98 и зависит от количества изооктана и гептана присутствующего в нём. Как правило тихоходные карбюраторные двигатели имеют степень сжатия 7,0/1 - 9,0/1 и работают на топливе с низким октановым числом (до 82). У карбюраторных быстроходных двигателей = 9,0/1 - 9,5/1, используемые марки бензина "АИ - 92", "АИ - 93", у инжекторных = 9,5/1 - 12/1 и топливо с октановым числом - выше 93.
В спортивных автомобилях не массового производства в качестве горючего используется газ метанол и степень сжатия достигает 15-ти абсолютных единиц.
В дизельных двигателях топливом является, как правило, солярка, а цифры 45 - 55 есть показателем в ней цетана, а степень сжатия колеблется в пределах 16 - 22 единиц.
Главными параметрами, которые характеризуют работу ДВС, есть крутящий момент, мощность и расход топлива. Эти параметры изменяются в зависимости от частоты оборотов коленчатого вала двигателя и называются внешними скоростными показателями.
У двигателя различают:
- индикаторную мощность, т. е. мощность, снимаемую с поршня двигателя. Ее называют индикаторной, так как определяют с помощью специального прибора — индикатора во время испытаний двигателя на стенде:
, (кВт) (10) 
где 
- давление в камере сгорания 
, - объём рабочей камеры, 
- количество оборотов коленчатого вала, i - число цилиндров двигателя, 
- тактность двигателя.
- эффективную мощность, т. е. мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя.
, (кВт) (11)
где 
- эффективный крутящий момент, 
- угловая скорость вращения коленвала в рад/сек, или:
, (л.с.) (12)
Эффективным крутящим моментом называют результирующий момент системы сил, действующих на коленчатый вал двигателя и вызывающих его вращение:
, 
(13)
где 
- частота вращения в об/мин.
Важным показателем, характеризующим совершенство конструкции двигателя, является литровая мощность, которая представляет собой отношение максимальной эффективной мощности двигателя к его рабочему объему:
, (кВт/л) (14)
Как известно, всякое преобразование энергии сопровождается ее потерями. Отношение энергии, воспринимаемой поршнем, к энергии сгорающего в двигателе топлива называют индикаторным коэффициентом полезного действия (к.п.д.), который меньше единицы. Механический к.п.д. представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной.
Эффективный к. п. д. равен произведению индикаторного и механического к.п.д. Среднее значение индикаторного к.п.д. составляет около 0,30. Это означает, что из 100 кал теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах, только 30 кал превращаются в полезную механическую работу. Малое значение к.п.д. объясняется тем, что значительную часть теплоты уносят с собой охлаждающая вода и отработавшие газы. Механический к. п. д. двигателя равен примерно 0,85 вследствие потерь мощности на преодоление трения в различных механизмах двигателя. Таким образом, эффективный к.п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,30 х 0,85 = 0,25.
Удельным эффективным расходом топлива называют расход топлива в граммах, отнесенный к единице эффективной мощности:
, 
(15)
где G - расход топлива за один час, которыйопределяется зависимостью:
, (кг/час) (16)
где 
- цикловая подача топлива (г/цикл).
Как видно, скоростные характеристики ДВС являются величинами переменными и изменяются в зависимости от частоты вращения коленчатого вала на каждом определённом режиме работы (на оборотах холостого хода, номинальных и максимальных) двигателя и внешних нагрузок.
Связь между внешними характеристиками двигателя и частотой вращения представляется в качестве зависимостей 
, 
, 
и выводится в виде графиков. В качестве примера (рисунок 3) представлены скоростные характеристики бензинового инжекторного двигателя автомобиля "Volkswagen" (Passat) объёмом 2 тыс. куб. см.
- максимальные эффективные мощность и крутящий момент, 
- мощность и крутящий момент развиваемые при минимальной угловой скорости коленчатого вала, которая соответствует оборотам холостого хода двигателя, 
- соответственно минимальный удельный расход топлива, расход при которых двигатель развивает максимальную мощность и расход при максимальном крутящем моменте, 
- соответственно минимальная и максимальная частоты, частоты, при которых двигатель развивает максимальный крутящий момент и мощность, частота
при минимальном удельном расходе топлива.
Рисунок 3 - Внешние скоростные характеристики двигателя автомобиля "Volkswagen" (Passat)
После математической обработки результатов большого множества стендовых испытаний различных двигателей получены аппроксимирующие уравнения, которые позволяют с достаточно высокой степенью приближения рассчитывать промежуточные параметры указанных выше величин при различных частотах вращения коленвала двигателя:
, (кВт)(17)
, (
) (18)
, (
) (19)
где 
- максимальная мощность двигателя, кВт;
- угловая скорость коленчатого вала, при которой достигается максимальное значение мощности, рад/c;
- поточные значения мощности и частоты вращения коленвала;
- эмпиричные коэффициенты (таблица 1).
Таблица 1 - Значения эмпиричных коэффициентов
| Коэффициент | Тип двигателя | |||
| Бензиновый | Дизель | |||
| Легковое авто | Грузовое авто | Легковое авто | Грузовое авто | |
| a b c | 0,9 1,1 1,0 | 1,0 1,0 1,0 | 0,8 1,2 1,0 | 0,7 1,3 1,0 |
| a1 b1 c1 | 1,120 0,580 0,470 | 1,168 0,670 0,491 |
Таблица 2 - Варианты заданий
| Вариант | Тип автомобиля | Количество цилиндров | Диаметр поршня, мм | Ход поршня, мм | Длина шатуна, мм | Эффективное давление, атм | Степень сжатия | Частота min, об/мин | Частота max, об/мин | Частота ном, об/мин | Цикловая подача топлива, г |
| л | 9/1 | 0,009 | |||||||||
| л | 9/1 | 0,009 | |||||||||
| л | 10/1 | 0,009 | |||||||||
| л | 7,5/1 | 0,010 | |||||||||
| л | 20/1 | 0,010 | |||||||||
| л | 13,5 | 10/1 | 0,011 | ||||||||
| л | 20/1 | 0,009 | |||||||||
| л | 9,5/1 | 0,015 | |||||||||
| л | 20/1 | 0,010 | |||||||||
| л | 10/1 | 0,013 | |||||||||
| л | 14,5 | 10/1 | 0,012 | ||||||||
| л | 8/1 | 0,015 | |||||||||
| л | 10/1 | 0,012 | |||||||||
| л | 14,5 | 10/1 | 0,012 | ||||||||
| л | 14,5 | 10/1 | 0,015 | ||||||||
| л | 14,5 | 10/1 | 0,016 | ||||||||
| л | 22/1 | 0,016 | |||||||||
| л | 22/1 | 0,017 | |||||||||
| л | 14,5 | 10/1 | 0,021 | ||||||||
| г | 8/1 | 0,035 | |||||||||
| г | 8/1 | 0,040 | |||||||||
| г | 22/1 | 0,031 | |||||||||
| г | 22/1 | 0,035 | |||||||||
| г | 22/1 | 0,036 | |||||||||
| л | 20/1 | 0,009 | |||||||||
| г | 8/1 | 0,040 | |||||||||
| л | 14,0 | 11/1 | 0,012 | ||||||||
| л | 11,5 | 7,5/1 | 0,010 | ||||||||
| л | 20/1 | 0,010 | |||||||||
| л | 13,5 | 11/1 | 0,011 |
РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамчук Ф.І., Гутеревич Ю.Ф. Автомобільні двигуни. Київ, - Арістей,
2007, 475с.
2. Вахламов В. К.Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя: Под ред. А.А. Юрчевского. — М.: Издательский центр "Академия", 2003.- 816с.
3. Иванов A.M., Солнцев А.Н., Гаевский В.В. Основы конструкции автомобиля. — М.: Книжное издательство «За рулем», 2005. — 336 с.
4. Тимченко И. И., Гутаревич. Ю. Ф. Автомобильные двигатели. Харьков, - Основа, 1995, 464с.