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

В первоисточнике термины «трапециевидные поршневые кольца» (ГОСТ Р 53843—2010) или, как было изначально «трапецеидальные поршневые кольца» (ГОСТ 621—87) имели более доходчивое название: «Клинообразные кольца (кольца с конусными торцовыми поверхностями)» [8, стр. 444]. Причем выдано это под заманчивым для разработчиков предлогом: «Кольца с пониженной склонностью к пригоранию в канавках поршня». Кому из главных и не очень главных конструкторов не захочется применить столь соблазнительную находку? Рассматривая «Скручивающиеся (торсионные) поршневые кольца», ученый относит к ним не только «клинообразные» кольца, но и другие виды колец, которые «имеют на внутренней поверхности в верхней ее части приблизительно прямоугольную выточку (уступ) или скос» (там же, стр. 439). Ни много, ни мало, и далее: «Кольца такой формы применяются для всех диаметров, которые встречаются в двигателях внутреннего сгорания». В большинстве конструкций отечественных ДВС можно увидеть подобную «выточку», «скос», или фаску, как это представлено в наших ГОСТах. В связи с этим вспоминаются простые компрессионные кольца прямоугольного профиля без каких-либо «выточек» и «фасок» на обоих торцах, без твердых покрытий рабочих поверхностей. Автор не помнит, чтобы в то время были особые претензии к компрессионным кольцам.

Из объяснения классика становится понятным, что «скручивающиеся» кольца получаются в результате того, что «…главные оси инерции образовавшегося (после выточки) несимметричного сечения кольца становятся не параллельными (и соответственно), неперпендикулярными к образующей рабочей поверхности, т. е. располагаются наклонно.

Если такое кольцо сжимают до рабочего размера, то оно не остается плоским в своей первоначальной плоскости, а принимает тарельчатую форму так, что нижняя кромка выступает несколько сильнее наружу, и только она приходит в соприкосновение с рабочей поверхностью цилиндра (фиг. 328)» (там же, стр. 439).

Рис. 2. Компрессионное кольцо с фаской на верхнем торце в динамике:1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – компрессионное кольцо

Наверное, с этим следует согласиться, механика и газодинамика могут привести поршневое кольцо в подобное положение. Возникает вопрос, разве это не повредит уплотнительному кольцу выполнять свои основные функции?

Для автора почему-то такое положение кольца, воспроизведенное из первоисточника на рис. 2, не производит впечатления уплотняющего элемента. Причем, кроме устранения зазора между поршнем и цилиндром, уплотнительное, компрессионное кольцо, должно еще передавать избыточное тепло от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру. Трудно представить какой-либо теплообмен между поршнем и цилиндром достаточно большой массы по линии?

Можно допустить, что такие насильственные изменения объемного положения трапециевидного кольца в пространстве оказывают определенное влияние на процесс нагарообразования.

Хотя немецкий ученый предостерегал: «Склонность к поломке у клинообразных колец несколько выше, чем у нормальных уплотнительных колец, так как они при неизбежных радиальных смещениях никогда полностью не могут прилегать к нижней торцовой поверхности канавки. Особенно это имеет место у клинообразных скручивающихся колец» (там же, стр. 444). Констатация поразительного факта, что уплотнительные кольца «никогда не могут прилегать» к нижней полке поршневой канавки, обозначает только одно, что между ними может быть зазор, который там по определению не должен быть ни при каких обстоятельствах. Отсюда следует очень простой вывод, ГОСТ регламентирует уплотнительные кольца, которые априори не предназначены для уплотнения, а только «для борьбы с пригоранием». А ведь на всех двигателях «автотракторостроения» именно такие уплотнительные кольца, к которым у специалистов нет претензий.

Но нельзя ли, как-нибудь иначе решать проблемы нагарообразования, не лишая компрессионное кольцо своих функций? На самом деле проблема «пригорания» колец решается достаточно просто, не прибегая ни каким изменениям формы и содержания самих поршневых колец.

Во-первых, компрессионное кольцо должно плотно прилегать к нижней полке поршневой канавки и стенке цилиндра, иметь расчетные площади контакта, через которые тепло динамично передается от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру. Во-вторых, устранять нагарообразование на контактных поверхностях можно, оставляя на стенке цилиндра минимально необходимую, сверхтонкую пленку моторного масла, заменив неэффективные маслосъемные кольца, предлагаемые ГОСТом, инновационными. Кроме того, необходимо минимизировать все зазоры, особенно бессмысленный зазор в придонной полости поршневой канавки, где накапливается излишнее количество масла, встречающееся с высокотемпературным рабочим газом [17].

Немецкий ученый, видимо был озабочен неудовлетворительной работой маслосъемных колец, поэтому рекомендовал уплотнительные«Кольца с особым соскабливающим действием» (там же, стр. 446). Надо полагать, что уплотнительные кольца «с пониженной склонностью к пригоранию» и «особые соскабливающие» предназначены «помочь» маслосъемным кольцам выполнять свои функции. Хотя логичнее было бы заставить маслосъемные кольца выполнять свои функции.

Приведенные аргументы не смогли убедить оппонентов в нецелесообразности использования трапециевидных компрессионных колец, постараемся несколько иначе рассмотреть работу компрессионного кольца в процессе эксплуатации, ибо такое, несмотря ни на что, оказалось вполне возможным.

В том виде, как эта форма поршневого кольца нашла отражение в указанном источнике, она практически не применялась (рис.3, а). Тем не менее, в первое время ее использовали на двигателях КАМАЗ, причем с меньшими углами наклона верхнего и нижнего торцов кольца, в отличие от рекомендаций ГОСТа (рис. 3, б). В основном отечественные и зарубежные разработчики используют трапециевидную форму компрессионного кольца с уклоном верхнего торца, причем так, что кольцо обращено меньшей вертикальной стороной к оси поршня.

Рис. 3. Трапециевидные компрессионные поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания

а – стандартное; б – двигателя КАМАЗ