Схема процесса газообмена. В течение процессов выпуска и наполнения происходит смена заряда в цилиндре: отработавшие газы удаляются, свежий воздух заполняет цилиндр. Совокупность этих процессов принято условно называть процессом газообмена.
Для более глубокого понимания протекания процесса газообмена рассмотрим диаграмму Vp, построенную в крупном масштабе по оси ординат. Точки конца сжатия с и конца расширения располагаются при таком масштабе за пределами чертежа, в связи с чем на рис. 1 верхняя часть участка линии сжатия ограничена условно символом с, линии выпуска — символом.
Линия свободного выпуска переходит в линию принужденного выпуска, совершающегося при давлении, плавно. Когда к концу выпуска поршень придет в в. м. т., над ним будут находиться так называемые остаточные газы, представляющие собой часть отработавшего газа, оставшуюся в объеме Vc Остаточные газы имеют давление рт выше, чем давление окружающей среды (атмосферы). Поэтому с началом движения поршня вниз они начнут расширяться до тех пор, пока давление в цилиндре не станет равно давлению впуска. После точки давление процесса впуска на участке можно считать постоянным. В точке а начнется линия сжатия ас: поршень движется вверх, сжимая свежий заряд.
Действительная диаграмма процесса газообмена несколько отличается от изображенной на рис. 1, так как давления выпуска рг и впуска ра не остаются постоянными. Однако в целях упрощения этим непостоянством давлений можно пренебречь. Коэффициент наполнения. Всасывание воздуха из атмосферы не может начаться сразу с началом движения поршня от в. м. т. вниз, так как давление рг остаточных газов выше, чем давление. Воздух начнет поступать в цилиндр лишь тогда, когда давление расширяющихся остаточных газов сравняется с атмосферным.
Когда поршень придет в н. м. т., всасывание воздуха из атмосферы не прекратится: даже в начале движения поршня вверх давление ра в цилиндре ниже атмосферного, а впускной клапан закрывается с запаздыванием. Заполнение цилиндра свежим зарядом (воздухом) закончится в тот момент, когда давление сжимаемого воздуха сравняется с атмосферным.
У двигателей с наддувом начало и конец поступления свежего заряда в цилиндр соответствуют моментам, когда давление в цилиндре будет равно давлению наддувочного воздуха рп.
Следовательно, в процессе всасывания в цилиндр поступил объем V0 свежего заряда, взятый при давлении окружающей среды или при давлении наддува, тогда как теоретически возможно заполнение цилиндра зарядом с объемом, равным рабочему объему цилиндра.
Величина коэффициента наполнения определяет количество свежего заряда, поступившего в цилиндр, а значит, и количество топлива, которое может сгореть за цикл. Отсюда следует, что в конечном счете от коэффициента наполнения зависит мощность двигателя. Даже у тихоходных дизелей равен 0,80 — 0,90, т. е. из-за неполноты заполнения цилиндра теряется 10 — 20% теоретически возможной мощности, а у быстроходных этот коэффициент еще ниже.
Следовательно, чем больше сопротивление выпуску и впуску, тем меньше коэффициент наполнения двигателя. Этот вывод чрезвычайно важен, так как величины сопротивлений выпуску и впуску во многом зависят от обслуживающего персонала: от состояния и регулировки привода открытия клапанов, от чистоты впускного и выпускного трактов и т. п. Подробнее об этом сказано ниже.
Рис. 1. Диаграмма процесса газообмена четырехтактного двигателя без наддува
Возвращаясь к рис. 1, следует отметить, что при равном изменении сопротивлений выпуску и впуску точка п смещается дальше, чем точка т. Это значит, что сопротивление впуску сказывается на коэффициенте наполнения в большей степени, чем сопротивление выпуску. Учитывая такую зависимость, диаметр впускного клапана иногда делают больше, чем выпускного (в том случае, когда нет возможности увеличить диаметры обоих клапанов).
Количество свежего заряда. Коэффициент наполнения характеризует относительную полноту заполнения цилиндра, так как действительное количество свежего заряда сравнивается с его количеством, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при данных давлении и температуре атмосферного воздуха. Однако параметры атмосферы непостоянны: сы обода на квадрат диаметра окружности вращения центра тяжести сечения обода2. Если сечение обода имеет сложную форму или если определяется маховой момент таких вращающихся масс, как ротор генератора или гребной винт, то их разбивают на отдельные элементарные части и подсчитывают сумму элементарных маховых моментов.
Момент инерции (или маховой момент) зависит от массы маховика в первой степени и от диаметра — во второй. Это значит, что целесообразно делать маховик с большим диаметром, что позволит уменьшить его массу. Однако при чрезмерно большом диаметре маховика появляется опасность разрыва обода центробежной силой. Поэтому существуют ограничительные значения окружной скорости маховика (считая по его наибольшему диаметру): не более 70 м/с для чугунных и 100 м/с для литых стальных.
Как сила N, так и плечо во время работы двигателя изменяются, следовательно, опрокидывающий момент есть величина переменная. Существуют двигатели, у которых коленчатый вал закреплен, а корпус вращается. В этом случае все закономерности движения поршня, действия сил сохранятся, значит, останется той же и диаграмма вращающего момента. Однако такой двигатель будет вращаться под действием опрокидывающего момента. Отсюда следует, что при любом угле поворота кривошипа опрокидывающий момент равен вращающему, но имеет обратный знак.
К такому же выводу можно прийти и из понимания опрокидывающего момента как момента реакций. Когда двигатель вращает испытывающий сопротивления вал, на остов двигателя действует момент сил реакции. Последние равны и противоположны по направлению действующим силам.