Величина 
зависит от конструкции кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, совершенства системы смазки и качества применяемого масла, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала, качества технического обслуживания и ремонта двигателя. Для автомобильных и тракторных двигателей
По 
аналогии с индикаторной эффективная мощность (кВт)
где
– среднее эффективное давление, кПа;
– среднее давление механических потерь, кПа.
Обычно эффективную мощность двигателя определяют при его испытаниях на специальном тормозном стенде путем определения крутящего момента
и частоты вращения коленчатого вала
.
Литровая мощность двигателя
(кВт/л) представляет собой эффективную мощность двигателя
, снимаемую с одного литра рабочего объема всех цилиндров двигателя (
):
Литровая мощность позволяет оценивать совершенство конструкции двигателя. Среднее значение литровых мощностей современных карбюраторных двигателей находится в пределах 26–37 кВт/л, а дизельных – 9–15 кВт/л.
Одним из основных показателей качества двигателя является его экономичность, которая определяется количеством топлива
в килограммах, расходуемым двигателем за 1 ч работы. Параметрами, характеризующими экономичность работы двигателя, являются индикаторный и эффективный удельные расходы топлива.
Индикаторным удельным расходом топлива
[г/(кВтч)] называется количество топлива, расходуемого двигателем в течение часа работы на единицу индикаторной мощности:
Аналогично определяется эффективный удельный расход топлива:
Среднее значение
для карбюраторных двигателей 0,147– 0,184 кг/(кВт-ч), для дизелей – 0,118–0,154 кг/(кВт-ч).
Кривошипно-шатунный механизм
С помощью кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Механизм состоит из поршневой (поршень, поршневой палец, поршневые кольца, детали крепления) и шатунной (шатун, втулки, вкладыши) групп, коленчатого вала с маховиком и расположен внутри корпуса двигателя.
Поршневая группа
Поршневая группа вместе со стенками цилиндра и поверхностью камеры сгорания образует пространство, в котором происходят рабочие процессы двигателя. Группа должна обеспечивать герметичность этого пространства, хороший отвод тепла от него к стенкам цилиндра, возможно меньшие потери на трение и препятствовать проникновению масла из картера в камеру сгорания.
Поршень служит для восприятия усилия от давления расширяющихся газов и передачи его через шатун на коленчатый вал.
58
В двухтактных двигателях поршень выполняет также функции золотника механизма газораспределения.
При работе двигателя поршень движется с большой скоростью (10-35 м/с), находится под воздействием высоких давлений (4,5-8 МПа) и температур (до 2500°С), что предъявляет к нему повышенные требования в отношении прочности и жесткости. Поршень должен также обладать малой массой, хорошей теплопроводностью и износостойкостью. Для быстроходных двигателей, работающих под большими нагрузками, наиболее полно отвечают этим требованиям поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов с повышенным содержанием кремния.
Поршни тихоходных двигателей изготовляются из серого и ковкого чугуна. Все поршни подвергаются термической обработке (закалке и старению или только старению). В целях сокращения периода приработки сопряжения поршень – стенка цилиндра боковую поверхность поршня покрывают легкоплавкими металлами (оловом) с толщиной покрытия 0,005–0,002 мм.
Рис. 2.5. Конструкция поршня
Рис. 2.6. Формы днища поршня
Поршень (рис. 2.5) состоит из головки 2 с днищем 1, канавок 5 и 6 для поршневых колец, направляющей части 3 и бобышек 4. Днище поршня может быть различной формы, зависящей от конструкции камеры сгорания и расположения клапанов, а в двухтактных двигателях – и от системы газораспределения. Вогнутое днище (рис. 2.6, а) создает форму камеры сгорания с наилучшими условиями горения рабочей смеси, однако при этом увеличивается поверхность, омываемая горячими газами, и возрастает возможность образования нагара. Кроме того, вогнутое днище имеет меньшую по сравнению с плоским прочность, его обработка при изготовлении поршня затруднена. Выпуклое днище (рис. 2.6, б) имеет повышенную прочность, позволяющую снизить массу поршня, однако при этом ухудшаются условия сгорания рабочей смеси и повышается нагрев днища. Плоское днище (рис. 2.6, в) просто в изготовлении и обеспечивает наименьший нагрев во время работы
59
двигателя. Такая форма днища наиболее распространена в карбюраторных двигателях. У дизелей днище поршня имеет сложную геометрическую форму (рис. 2.6, г, д), зависящую от степени сжатия способа смесеобразования, расположения форсунок и других факторов.
Головка поршня, включающая в себя часть боковой поверхности, где расположены канавки для поршневых колец, служит для обеспечения герметичности камеры сгорания и отвода тепла, воспринимаемого днищем.
Направляющая часть поршня (юбка) включает в себя часть боковой поверхности поршня от нижней кромки канавки под последнее поршневое кольцо до конца поршня. Юбка служит для направления движения поршня в цилиндре и передачи бокового давления на зеркало цилиндра. Длина направляющей части зависит от величины бокового давления и выбирается такой, чтобы получить допустимые удельные давления. Юбка поршня должна обеспечивать наименьшие зазоры между поршнем и стенкой цилиндра как в нагретом, так и в холодном состоянии последнего. Для предотвращения возникновения стуков и перекосов поршня в непрогретом двигателе и заедания поршня во время работы поршни из легких сплавов выполняют с разрезом П- или Т-образной формы или придают направляющей части поршня овальную форму, при этом размер вдоль оси пальца делается на 0,15–0,30 мм меньше размера в перпендикулярном направлении. У некоторых поршней юбка имеет косой разрез, который придает ей пружинящие свойства и позволяет уменьшить зазор между поршнем и цилиндром. Для уменьшения передачи теплоты от головки поршня к юбке между ними прорезается горизонтальная канавка. Для повышения прочности поршней из легких сплавов и уменьшения их расширения при нагреве в них заделывают специальные стальные вставки.
Поршневые кольца (рис. 2.7) служат для предотвращения прорыва газов из камеры сгорания в картер двигателя, для отвода тепла от головки поршня к стенкам цилиндра и предотвращения попадания масла в камеру сгорания из картера двигателя. Количество поршневых колец зависит от величины давления газов в цилиндре и быстроходности двигателя. Наименьшее число колец (2-4-4) бывает у высокооборотных карбюраторных двигателей, наибольшее (до 7) – у малооборотных мощных двухтактных двигателей. Поршневые кольца подразделяются на компрессионные (газоуплотнительные) А и маслосъемные Б. Компрессионные кольца предназначены для создания уплотнения полости цилиндра путем плотного прилегания к стенкам цилиндра и к стенкам канавок в поршне. Такое прилегание обеспечивается их упругостью, а также давлением газов, проникающих за кольца.
60
Рис. 2.7. Поршневые кольца:
А – компрессионное; Б – маслосъемное; 1 – канавка; 2 – прорезь; 3 – замок; 4 – выточка
Конструкция компрессионных колец должна обеспечивать необходимое уплотнение, уменьшение напряжения смятия на торцах колец, наименьший износ, она определяется формой поперечного сечения колец и формой замка. Компрессионные кольца имеют различное сечение. Кольца прямоугольного сечения (рис. 2.8, а) просты в изготовлении, но период их приработки весьма длителен.
Рис. 2.8. Форма сечения компрессионных и маслосъемных колец
При применении колец с трапецеидальным сечением (рис. 2.8, б) предотвращается возможность их застревания в канавках и пригорания. Фасонная форма сечения (рис. 2.8, в) позволяет кольцу при сжатии скручиваться и принимать коническую форму, в результате чего его боковая поверхность касается зеркала цилиндра узкой кромкой, что ускоряет приработку кольца и уменьшает расход масла. Маслосъемные кольца (рис. 2.8, г–ж) предназначены для регулирования подачи масла на боковую поверхность поршня и к компрессионным кольцам, снятия со стенок цилиндра излишков масла и направления его в картер двигателя. Наиболее распространены конические (рис. 2.8, г, д) и пластинчатые (рис. 2.8, е, ж) кольца.
Замок (вырез в поршневом кольце) по форме может быть прямым (рис. 2.9, а), косым (рис. 2.9, б, е) и ступенчатым (рис. 2.9, г).
Рис. 2.9. Замки поршневых колец
61
Рис. 2.10. Маслосъемное кольцо
Наибольшее распространение получили кольца с прямым замком, который наиболее прост в изготовлении.
На ряде двигателей (ЗИЛ, ЯМЗ) получили распространение составные маслосъемные кольца (рис. 2.10), состоящие из двух стальных кольцевых дисков 1 и двух расширителей–осевого 2 и радиального 3.
Поршневые кольца изготовляются из стали и легированных чугунов с присадками хрома, никеля, меди, вольфрама, молибдена. Рабочие поверхности колец покрываются пористым хромом или подвергаются электролитическому лужению, оксидированию, фосфатированию, что повышает износостойкость и антикоррозийность, а также ускоряет приработку поверхностей.
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Поршневой палец работает в условиях знакопеременной ударной нагрузки при высокой температуре и неблагоприятных условиях жидкостного трения, поэтому должен обладать высокой прочностью, малой массой, повышенной износостойкостью рабочей поверхности, хорошей сопротивляемостью ударной нагрузке. Материалом для поршневых пальцев служат углеродистые или легированные стали, которые подвергаются термической обработке. Наружная поверхность пальцев шлифуется и полируется.
Поршневой палец изготовляется в виде полого цилиндра. Конструкция поршневого пальца зависит от типа его сопряжения с бобышками поршня и верхней головкой шатуна. По этому признаку различают поршневые пальцы: закрепленные в головке шатуна и вращающиеся в бобышках поршня (рис. 2.11, а), закрепленные в бобышках поршня и вращающиеся в головке шатуна; свободно вращающиеся как в головке шатуна, так и в бобышках поршня – плавающие пальцы (рис. 2.11, б, в). Наибольшее распространение получили плавающие пальцы, так как они незначительно и равномерно изнашиваются по длине и по окружности, удобны при монтаже.
Рис. 2.11-26. Способы крепления поршневых пальцев
62