Рис. 1 - Схемы, иллюстрирующие методы создания в процессе впуска вращательного движения заряда в цилиндре: а - тангенциальный впускной канал и эпюра изменения тангенциальной скорости заряда вдоль диаметра цилиндра; б - винтовой канал; в - клапан с экраном; г - экран на седле клапана; д - тангенциальные продувочные окна и эпюра изменения тангенциальной составляющей скорости, движения заряда вдоль диаметра цилиндра двухтактного дизеля
Каждое из конструктивных решений, предназначенных для четырехтактных двигателей, обеспечивает преимущественное поступление воздуха в нужном направлении (через определенную часть проходного сечения в клапане). Если ось потока, поступающего в этом направлении, не пересекает оси цилиндра, то в результате взаимодействия струй между собой и со стенками цилиндра создается вращательное движение всего заряда. Тот же эффект в случае двухтактных дизелей достигается тангенциальным направлением осей продувочных окон.
Для четырехтактных дизелей наиболее эффективно использование винтовых каналов. Отливка головки цилиндра при этом оказывается сложной.
Определенные трудности связаны с обеспечением идентичности формы и расположения каналов в процессе производства. При эксплуатации следует принимать меры к предупреждению накопления заметных отложений на стенках каналов.
При подходе поршня к ВМТ заряд из объема, расположенного над вытеснителем поршня, перетекает в камеру сгорания. Приведенный на рис. 2, а характер перетекания обусловлен взаимодействием сил вытеснения заряда, центробежных сил и сил трения.
Рис. 2 - Схемы перетекания и движения заряда в камере сгорания: а - перетекание вращающегося заряда из надпоршневого пространства в камеру сгорания; б - пространственное движение заряда в камере сгорания
При соответствующем соотношении между силами заряд перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания как бы послойно непосредственно у кромки камеры сгорания и движется вдоль ее стенки. Сложение скоростей вращательного движения заряда, созданного при впуске, и вытеснения заряда при сжатии вызывает движение заряда. Процесс перетекания связан с определенными потерями энергии вращательного движения, которые тем больше, чем больше исходная энергия вращательного движения заряда при впуске и меньше отношение dк.с./D. В результате перетекания заряда в камеру, имеющую диаметр меньше диаметра цилиндра, скорость вращения заряда увеличивается. Из-за отмеченных потерь энергии это увеличение происходит в меньшей степени, чем следует из закона сохранения момента количества движения, однако ускорение вращения заряда больше при меньших значениях dк.с./D . Для рассматриваемого случая объемного смесеобразования ускорениe вращения заряда при вытеснении его в камеру сгорания невелико, так как диаметр камеры сгорания лишь незначительно меньше диаметра цилиндра.
Заряд в цилиндре и камере сгорания движется по сложным пространственным траекториям. Помимо особенностей втекания заряда в цилиндр через клапан (продувочные окна) на характер движения заряда влияют переменная скорость перемещения поршня и перетекание заряда из объема над вытеснителем поршня в камеру сгорания. В случае камер объемного смесеобразования наибольшее влияние на процессы смесеобразования оказывает тангенциальная составляющая скорости wt, направленная по касательной к окружности камеры сгорания. Другие составляющие малы, и их влияние невелико. В пределах камеры сгорания величина wt растет от центра к периферии, т. е. заряд вращается «как твердое тело». Над вытеснителем поршня wt убывает к периферии. Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к уменьшению эффективного сечения клапана и снижению наполнения, причем тем большим, чем больше необходимая интенсивность вращения заряда. На рис. 5 приведена взаимосвязь между максимальным значением тангенциальной скорости wt max движения заряда и коэффициентом наполнения ηv. Увеличение wt max вызывает уменьшение ηv, более интенсивное при больших диаметрах камеры сгорания.