Анатолий Дружинин - Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров. 100% инновационных элементов ЦПГ

Очевидно, можно констатировать факт существования общей для всех типов поршневых машин закономерности износа уплотнительных колец, основанной как на «механике», так и «газодинамике» процесса, которые следует учитывать разработчикам при проектировании новых двигателей и компрессоров, соответствующих им новых поршневых уплотнительных устройств.

До последнего времени при проектировании поршневых уплотнений для новых изделий разработчики особенно не утруждали себя поиском принципиально новых схем и конструкций, в какой-то мере, не видя в этой простой конструкции нерешенных проблем. Тем более, что под руками у них имелись ГОСТы, ОСТы, отраслевые нормали и прочие документы имеющихся наработок. В качестве вспомогательной литературы использовали и используют до сих пор учебную литературу по двигателям внутреннего сгорания и фундаментальный двухтомник К. Энглиша 1962 года [8]. Наверное, не очень правильно, когда рекомендации, доводы и выводы, приводимые в учебной и научной литературе, принимаются специалистами, как аксиомы, не требующие принципиальных изменений. Очевидно, стоит обратить внимание пользователей на спорность некоторых положений, использование которых не способствуют повышению качества уплотнения между поршнем и цилиндром, существенно влияющего на эффективность поршневой машины.

Проведенные исследования показали, что рассмотрение в поршневом уплотнении только одного поршневого кольца, его конструкции и физико-механических характеристик материала, из которого оно изготавливается не вполне корректно. Дело в том, что, находясь под воздействием высоких давлений и температур рабочих газов, прорывающихся в поршневую канавку, компрессионное кольцо может потерять свою работоспособность, если его геометрические параметры рассчитаны без учета газодинамики.

«Современные рабочие кольца, как правило, имеют высоту кольца меньше, чем его толщину (толщина – это разница внешнего и внутреннего диаметров кольца) в 1,5…2,0 раза, поэтому площадь верхнего торца компрессионного кольца больше его внутренней вертикальной поверхности.

Следовательно, сила, действующая на верхний торец кольца по оси поршня, больше радиальной силы, прижимающей кольцо к стенке цилиндра. Причем разница этих сил в десятки и сотни раз превышающая силу собственной упругости кольца, блокирует радиальную силу и силу собственной упругости кольца, лишая кольцо упругости и подвижности относительно поршня. Компрессионное кольцо теряет свои функции, становится неработоспособным, уподобляясь конструктивному элементу поршня на самых ответственных тактах рабочего цикла двигателя» [6].

Изобретение свидетельствует о систематической принципиальной ошибке при проектировании компрессионных колец, приводящей к наличию бракав конструкции уплотнения между поршнем и цилиндром, выпускаемых и в большом количестве эксплуатируемых двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров. Вполне очевидно, что «неработающее» компрессионное кольцо влияет не только на величину КПД и надежность двигателя и компрессора, но и на все остальные его технико-экономические и экологические характеристики.

Кроме того, располагая компрессионные кольца по различным поршневым канавкам, учитывая наличие гарантированных зазоров между полками поршневой канавки и торцами компрессионного кольца, дном поршневой канавки и поверхностью внутреннего диаметра кольца, а также зазора в замке кольца, априори закладываются значительные прорывы сжимаемого воздуха и рабочих газов. Компенсировать эти издержки разработчики вынуждены увеличением частоты вращения коленчатого вала, введения различных типов наддувов, усложняющих конструкцию двигателя, снижающих его ресурс и повышающих расходы на его эксплуатацию. Причем, от этих мероприятий, кроме значимости, двигатель лучше не становится.

Любая деталь характеризуется геометрической формой, геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами материала, из которого она изготавливается. В настоящее время используются всего две геометрические формы компрессионных колец : прямоугольная и трапециевидная. Как уже было представлено выше, обе эти формы применяются на полном «законном» основании, так как, в свое время, на них были разработаны соответствующие ГОСТы, которые современные разработчики «корректируют» по своему усмотрению. Выбирая ту или иную геометрическую форму компрессионного кольца, разработчик должен найти серьезные обоснования установленной конструкции, так как различия в форме кольца накладывают определенные условия на работу поршневого уплотнения и двигателя в целом.

Наиболее распространенной является классическая, прямоугольная форма кольца, самая простая и дешевая в изготовлении и эксплуатации, применяется на всех видах двигателей внутреннего сгорания, а также поршневых компрессоров и поршневых насосов. Компрессионные кольца прямоугольной формы характеризуются тремя основными геометрическими параметрами : наружным диаметром, внутренним диаметром и высотой кольца. Кроме того, на рабочем чертеже указывается очень важный размер зазора в замке, различные фаски и галтели, а также необходимые технические условия, которые должны выполняться в технологическом процессе изготовления кольца и в процессе его испытания.

Если к форме прямоугольных компрессионных колец, как показывает практика, пока особых претензий не имеется, то к компрессионным кольцам трапециевидной формы, несмотря на многолетнюю практику их эксплуатации, есть серьезные вопросы.

В учебной литературе по этому поводу есть следующее замечание: «С повышением уровня форсирования хорошо зарекомендовали себя трапециевидные кольца, которые менее склонны к закоксовыванию по сравнению с прямоугольными кольцами» [3]. Достаточно спорный вывод. Если «меньшая склонность» к закоксовыванию не совсем очевидный тезис, то сама форма кольца, в том виде, как она представлена в ГОСТе, уже вызывает большие сомнения в целесообразности ее использования. Многолетняя практика применения таких колец была бы хорошим аргументом в их пользу, если бы основные характеристики двигателя, его КПД и ресурс стали бы от этого лучше. Но, к сожалению КПД двигателя недопустимо низкий, а к экологии его еще больше претензий.

Поэтому, прежде чем вводить, в свое время, в практику двигателестроения трапециевидные поршневые кольца, надо было более внимательно ознакомиться с положительными и отрицательными последствиями принимаемого архиважного решения, принципиально влияющего на работу поршневых колец, и о которых предупреждал инициатор предлагаемых «новаций» [8]. Очевидно, пришло время разобраться в самой сути этой проблемы.