Раннее открытие впускного клапана позволяет создать проходное сечение в клапане достаточной величины к началу перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней, а также использовать для лучшего наполнения цилиндров подпор горючей смеси во впускном патрубке и отсасывающее действие отработавших газов в конце такта выпуска предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления газов в цилиндре двигателя при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска показано графически на рис. 5.

Рис. 5. Процесс впуска четырехтактного двигателя: V_c — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра; Р — давление внешнего воздуха; r — начало такта впуска; а — конец такта впуска.

На линии ОР отложено давление (в кг/см²) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V_c соответствует объему камеры сжатия, V_h — рабочему объему цилиндра. Отложим на линии ОР расстояние ОР_0, соответствующее давлению в 1 кг/см², и проведем через точку Р₀ линию, параллельную линии OV. Эта линия называется атмосферной линией и соответствует давлению внешнего воздуха. Кривая га показывает изменение давления в цилиндре двигателя в такте впуска.

Как было указано выше, на каждый квадратный сантиметр площади днища поршня в цилиндре будет действовать давление, равное примерно 0,8–0,85 кг. Если считать, что давление в картере постоянно и равно 1 кг/см², то на поршень будет действовать сила, направленная от нижней мертвой точки к верхней и равная разности давлений в цилиндре и в картере (0,15—0,2 кг/см), помноженной на площадь поршня. Поэтому для перемещения поршня от верхней мертвой точки до нижней затрачивается работа, равная произведению силы, действующей на поршень, на путь, проходимый поршнем от верхней мертвой точки к нижней.

Таким образом, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска некоторая часть работы двигателя затрачивается на заполнение цилиндров двигателя горючей смесью. Эта работа может быть совершена за счет использования энергии, накопленной в маховике за предыдущий рабочий цикл. Она называется насосной работой (или насосными потерями).

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней происходит сжатие рабочей смеси. Так как в конце впуска (рис. 6, точка а), что соответствует началу сжатия, давление в цилиндре двигателя ниже давления внешнего воздуха, то поступление в цилиндр горючей смеси возможно и на некотором ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней.

Рис. 6. Процесс сжатия четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см2; с' — момент зажигания; с" — конец такта сжатия.

Поэтому впускной клапан закрывается через 50–80° поворота коленчатого вала после нижней мертвой точки.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней давление в цилиндре двигателя начинает повышаться и в точке а достигает 1 кг/см². При дальнейшем перемещений поршня к верхней мертвой точке рабочая смесь в цилиндре двигателя сжимается и давление в цилиндре возрастает. Увеличение давления в цилиндре двигателя происходит не только за счет сжатия, но и за счет нагревания рабочей смеси от горячих стенок цилиндра, днища поршня, впускных и выпускных клапанов.

Температура в конце сжатия может быть в пределах 350–400 °C, а конечное давление в цилиндре двигателя при степени сжатия 5–8 достигает 8—12 кг/см².

В конце такта сжатия происходит зажигание рабочей смеси. Однако еще до конца такта сжатия давление в цилиндре повышается в основном за счет продолжающегося сжатия рабочей смеси. За этот период сгорает с малой скоростью некоторое очень небольшое количество рабочей смеси около электродов свечи.

Работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси, увеличивается по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от нижней мертвой точки к верхней, будет равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем в этот момент на площадь днища поршня. Эта сила противодействует перемещению, поршня к верхней мертвой точке и на ее преодоление затрачивается энергия, запасенная маховиком во время предыдущего рабочего цикла.

В такте расширения происходит сгорание рабочей смеси в течение 0,002—0,003 секунды, причем горение распространяется со скоростью 20–40 м в секунду.

На рис. 7 показано изменение давления в цилиндре двигателя в процессе такта расширения.

Рис. 7. Процесс расширения четырехтактного двигателя: с" — конец такта сжатия; е — начало открытия выпускного клапана; c' — конец расширения, Z — конец видимого горения.

В начале такта расширения начинается быстрое сгорание рабочей смеси и резкое повышение давления в цилиндре до конца видимого горения (точка Z). В этом случае давление в цилиндре двигателя возрастет от 8—12 кг/см² до 30–40 кг/см² при температуре газов 2200–2400 °C.

При нормально работающем двигателе давление газов в цилиндре двигателя достигнет максимальной величины в момент, когда коленчатый вал двигателя повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. За точкой Z горение в цилиндре двигателя продолжится, но вследствие быстрого перемещения поршня к нижней мертвой точке объем газов резко увеличится и при этом горючее будет догорать с замедленной скоростью.

Обычно за 30–80° до нижней мертвой точки открывается выпускной клапан. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре двигателя достигает 4–5 кг/см². Благодаря раннему открытию выпускного клапана уже в начале его открытия до 75 % продуктов сгорания выбрасывается из цилиндра двигателя под действием давления газов. В конце расширения давление газов в цилиндре падает до 1,2–1,4 кг/см², а температура понижается до 1000–1100 °C. Отметим, что поршень при своем движении от нижней мертвой точки к верхней в такте выпуска испытывает небольшое давление газов. Таким образом, раннее открытие выпускного клапана необходимо для более быстрого освобождения цилиндров от горячих отработавших газов и для облегчения работы поршня по выталкиванию их из цилиндров в такте выпуска.

Возникающая в цилиндре двигателя сила давления, образующаяся в результате расширения газов, производит полезную работу, перемещая поршень от верхней мертвой точки к нижней. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от верхней мертвой точки к — нижней, будет равна произведению разности давлений под поршнем и над поршнем на площадь днища поршня.

После такта расширения поршень начинает перемещаться от нижней мертвой точки к верхней, выталкивая из цилиндра отработавшие газы.

На рис. 8 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте выпуска.

Рис. 8. Процесс выпуска четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см²; r — конец такта выпуска, c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого сгорания; е" — конец расширения.

Величина давления в цилиндре двигателя изменяется по кривой от 1,3–1,5 кг/см² в точке е" до 1,15—1,2 кг/см² в точке r. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра поршнем за счет использования энергии, запасенной в маховике во время такта расширения.