Рис. 11. Схема четырехтактного двигателя и его диаграммы: а - индикаторная бензинового двигателя; б - фрагмент индикаторной дизеля; в - круговая; г - схема двигателя
Поскольку давление в цилиндре и температура рабочего тела взаимосвязаны, то достаточно отобразить изменение давления от объема. Графически это представлено в виде индикаторной диаграммы, а период протекания процессов от угла поворота коленчатого вала можно проследить по круговой диаграмме. Данную диаграмму называют диаграммой газораспределения, поскольку она отражает периоды открытия впускного и выпускного клапанов.
Итак, первый процесс - процесс впуска свежего заряда (воздуха или топливовоздушной смеси). Протекает он при движении поршня от ВМТ к НМТ, когда впускной клапан открыт. Все достаточно просто! Но в действительности процесс впуска, точнее процесс газообмена, т. е. выпуска отработавших газов предыдущего цикла и впуска свежего заряда, является одним из сложнейших процессов.
Начнем с того, что от предыдущего цикла в цилиндре всегда остается некоторое количество отработавших газов (их называют остаточными газами), которые занимают объем камеры сгорания Vc при давлении, всегда большем давления окружающей среды (атмосферного давления - если выпуск идет в атмосферу). Это естественно, так как выпускные клапаны оказывают гидравлическое сопротивление потоку выходящих из цилиндра газов, особенно в конце процесса выпуска, когда выпускные клапаны уже закрываются. И не забудьте, что в выпускном трубопроводе установлен еще и глушитель шума, который тоже оказывает сопротивление (и не малое).
Поэтому свежий заряд рабочего тела начнет поступать в цилиндр только тогда, когда остаточные газы расширятся и охладятся (также и за счет смешения с более холодным свежим зарядом) настолько, что их давление станет меньше давления окружающей среды, так как для создания потока нужен обязательно перепад давлений (в частности до и после впускного клапана).
Во впускном трубопроводе в процессе предыдущего впуска заряд разогнался, приобрел какую-то скорость и инерцию, но впускной клапан закрылся. Вследствие инерции потока перед ним начинает нарастать давление, а когда инерция исчерпана, происходит обратный процесс. Во впускном трубопроводе возникают колебания столба газа, характеризующиеся изменением его давления р и плотности ρ по его длине l (рис. 12). К моменту следующего открытия впускного клапана перед ним может образоваться либо зона повышенных давления и плотности газа, либо пониженных. В зависимости от конструкции впускного трубопровода и параметров колебательного процесса в цилиндр может попасть либо одинаковое количество зон потока с повышенной и пониженной плотностью, либо только зона повышенной или пониженной плотности. В последнем случае масса поступившего в цилиндр свежего заряда может оказаться недостаточной, что отразится на мощности.
Рис. 12. Колебательные процессы во впускном трубопроводе
Аналогичные колебательные процессы возникают и в выпускном тракте. В результате за выпускным клапаном возникает зона пониженного давления, когда выпуск отработавших газов облегчается, а очистка цилиндра улучшается, либо наоборот.
Поэтому расчет оптимальных параметров впускного и выпускного трактов, их взаимное согласование и экспериментальная проверка являются одним из важнейших этапов проектирования двигателя.
Для двигателей стационарных установок, которые работают в узком диапазоне частот вращения вала, можно рассчитать или подобрать оптимальные параметры впускного и выпускного трубопроводов, чтобы обеспечить наилучшее наполнение. Большинство двигателей многоцилиндровые, в них все колебательные процессы сложнее. А для двигателей транспортных машин, которые работают в широком диапазоне частот вращения вала, приходится мириться с тем, что на одних режимах наполнение будет хорошее, а на других - плохое. Поэтому, как правило, обеспечивают хорошее наполнение на тех режимах, которые для данного транспортного средства являются наиболее важными. Для гоночных автомобилей предпочтительными являются частоты вращения, близкие к максимальным, обеспечивающие максимальные мощность и скорость. Для обычных автомобилей предпочтительна средняя частота вращения вала, обеспечивающая запас крутящего момента для разгона или преодоления дорожных препятствий.
Заманчиво иметь такие впускной и выпускной трубопроводы, чтобы менять их параметры (длину, объем и т.п.) в зависимости от изменения частоты вращения вала, но для серийных автомобилей это дело будущего. Сейчас созданы только экспериментальные образцы с очень сложной конструкцией.
Остановимся на работе клапанного механизма. Чем больше высота подъема клапана, тем меньшее сопротивление он оказывает потоку, тем лучшего наполнения можно достичь.
Клапан и все детали механизма его привода обладают инерцией, и преодоление ее в процессе открытия клапана вызывает очень большие нагрузки в механизме и напряжения (особенно поверхностные) в области контакта сопряженных деталей, поэтому невозможно мгновенно и полностью открыть клапан. Его открывают "постепенно", и максимальная высота подъема клапана достигается только где-то к середине хода поршня от ВМТ к НМТ в процессе впуска свежего заряда. Слово постепенно намеренно дано в кавычках, так как в быстроходном двигателе процесс впуска длится сотые и даже тысячные доли секунды. Достигнув максимальной высоты подъема, клапан должен уже закрываться, так как и в процессе закрытия преодолеваются силы инерции и возникают напряжения в деталях механизма. Кроме того, клапан должен опуститься на седло плавно без удара, иначе возможно большое изнашивание и разрушение рабочих поверхностей седла и клапана, которые должны обеспечить надежную герметичность после закрытия.
Несмотря на то, что впускной клапан начинает открываться за 10...30° угла поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ, на первом этапе впуска возникает вакуум. Чтобы компенсировать плохие условия наполнения на первом этапе, стремятся продлить его второй этап, когда клапан полностью закрывается спустя 40...70° угла поворота коленчатого вала после НМТ и поршень начинает уже движение вверх. Благодаря позднему закрытию клапана удается, используя инерцию потока воздуха или топливовоздушной смеси, дозарядить цилиндр и несколько повысить массу рабочего тела в конце впуска.
Процесс наполнения на индикаторной диаграмме представлен кривой га (см. рис. 11), а период протекания его от начала открытия до полного закрытия впускного клапана - соответствующим участком круговой диаграммы.
Клапан закрывается с запаздыванием, благодаря инерции потока возможна дозарядка, но это только в том случае, если скорость потока достаточно высока, т. е. высоки частота вращения вала двигателя и скорость перемещения поршня в цилиндре. Если частота вращения вала уменьшается? Инерция потока становится существенно меньше, и при движении поршня вверх при еще открытом клапане часть заряда просто выталкивается обратно во впускной трубопровод. Поэтому и период открытия впускного клапана подбирается так, чтобы обеспечить хорошее наполнение цилиндра на наиболее характерном для данного двигателя режиме работы. Конечно, чем меньше частота вращения вала, тем углы опережения открытия и запаздывания закрытия впускного клапана меньше. И наоборот.
После закрытия впускного клапана начинается следующий процесс -сжатие рабочего тела. Существует заметная разница между геометрической степенью сжатия (отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания) и фактической, так как до 1/3 хода от НМТ поршень быстроходного двигателя перемещается при открытом впускном клапане.
Процесс сжатия (кривая ас) происходит в соответствии с законами физики: объем заряда уменьшается, а давление и температура повышаются. А до какой же степени заряд должен быть сжат? На этом вопросе остановимся позже, рассматривая процесс сгорания, который происходит в то время, когда поршень находится вблизи ВМТ (кривая c'z).