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

В данном случае особый интерес может представить сравнение газодинамических сил с механическими силами собственной упругости компрессионных поршневых колец с достаточно сложным их расчетом. Например, расчетная сила собственной упругости компрессионного кольца двигателя КАМАЗ 740.13 – 1004030 должна быть в пределах 26,46…40,18 Н, то есть газодинамическая радиальная сила более чем в 500 раз превышает силу собственной упругости кольца! Этот огромный контраст делает очевидным превалирующую роль «газодинамики» над «механикой» в расчетах компрессионных поршневых колец. Причем, это происходит в самые ответственные моменты, когда идет процесс сжигания топливовоздушной смеси и давление в камере сгорания достигает максимального значения. По этой проблеме кроме отечественных исследований имеются хорошие исследования немецкой фирмы Goetze, правда, без учета влияния газодинамики на работу компрессионных колец.

На «обработку» гильзы в зоне ВМТ на тактах «сжатие» и «рабочий ход» тратится существенная часть полезной работы. По этой причине проблема ремонта гильзы цилиндра, которая на три четверти ее длины снизу практически не изнашивается, заключается в растачивании гильзы на всю ее длину на размер диаметра изношенной части (что не всегда возможно) или в восстановлении ее верхней части.

Тем не менее, можно достаточно просто исключить вредное влияние рабочего давления на работу компрессионных колец, если устранить зазор между полками поршневой канавки и торцами компрессионного кольца, а также зазор в замке кольца. Как показали последующие исследования, это практически не представляет каких-либо трудностей. Но в рамках жесткой, неуправляемой схемы уплотнения сделать это не представляется возможным, нужна принципиально новая схема уплотнения, которая автоматически учитывала бы все изменения в процессе работы двигателя, то есть была бы саморегулируемой.

В приведенном примере с двигателем КАМАЗ следует обратить особое внимание на разницу газодинамических сил ∆F = 1539кгс (15,40 кН)!На других типах и моделях ДВС полученная закономерность в той или иной степени повторяется. Осевая газодинамическая сила твердо прижимает поршневое кольцо к нижней полке поршневой канавки силой более трех тонн, а радиальная сила пытается выполнять свою функцию – прижимать рабочую поверхность кольца к стенке цилиндра. Понятно, что преодолеть осевую силу, превосходящую почти более чем на 1,5 т, радиальная сила не в состоянии.

Наверное, разработчики должны обратить внимание на эту информацию. Ссылка на то, что в наших учебниках газодинамика по существу не освещается, свидетельствует о том, что пришло время заполнить этот существенный пробел в теории проектирования цилиндропоршневой группы и двигателя в целом.

Прижимая поршневое кольцо к нижней полке поршневой канавки в начале такта «сжатие» и в течение всего такта «рабочий ход», осевая сила блокирует радиальную силу, лишая поршневое кольцо очень важного качества, без которого оно нормально работать просто не может – его упругости. Поршневое кольцо становится конструктивной частью поршня, и только огромные силы, действующие на поршень (для КАМАЗа эта сила равна 22,6 кН), заставляют кольцо смещаться в поршневой канавке в пределах термодинамических зазоров. Причем эти «смещения» отражаются на износе всех контактных пар: стенки цилиндра, рабочей поверхности и торцов кольца, полок поршневой канавки, шатуна, вкладышей и коленчатого вала.

Форма и содержание износа гильзы цилиндра достаточно наглядно представлены на рис. 1 и в соответствующих пояснениях. Для технолога наибольший интерес представляет сам «режущий» инструмент – компрессионное поршневое кольцо, которое изнашивается при «обработке» гильзы цилиндра, изменяя свои размеры и форму.

Это обстоятельство объясняет огромные механические потери на трение, существенно снижающие КПД двигателя и повышенный износ цилиндра в верхней его части, несмотря на то, что «скоблящие» компрессионные кольца работают в условиях обильной смазки, свободно поступающей в придонную полость поршневой канавки, ограниченной достаточно свободными размерами, о которых подробнее будет изложено ниже.

В данном случае следует обратить внимание на форму износа рабочей поверхности компрессионных колец и поверхностей верхнего и нижнего торцов. Они отличаются по форме и размерам у различных моделей двигателей, причем эти отличия, в основном зависят от соотношения высоты компрессионных колец, радиальной толщины и величины зазора между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом компрессионного кольца.

Рассматривая проблемы нежелательной диспропорции осевой и радиальной газодинамических сил, действующих на компрессионное кольцо, у которого толщина значительно больше высоты кольца, пришлось привлечь технологическую терминологию для объяснения физической сути повышенного износа гильзы цилиндра в ее верхней части. Понятно, что нельзя было оставить без внимания и главного «виновника» столь неприятного изменения формы и размеров гильзы цилиндра и рабочей поверхности самого компрессионного кольца.

В верхней части на стенке гильзы уже нет того количества и такого же качества смазочного слоя масла, как в нижней части цилиндра. Компрессионное кольцо со своими острыми кромками по форме напоминает режущий инструмент – круглый шабер, прижатый «превосходящей» осевой силой к нижней полке поршневой канавки, по сути получивший жесткое закрепление в поршне, как в технологической оправке.

Тем не менее, при движении поршня в верхнее положение компрессионное кольцо «сжимается – разжимается» на величину разницы диаметров цилиндра нижней, охлаждаемой части и верхней части цилиндра, особенно головки его, находящейся в зоне высоких рабочих температур. Дело в том, что, находясь в нижней мертвой точке на рабочем такте «впуск», компрессионному кольцу представлена единственная возможность «расслабиться», установившись по диаметру нижней части гильзы цилиндра, равномерно занимая пространство между стенкой цилиндра и поршнем, выступая из поршня на величину гарантированного термодинамического зазора.

В начале движения на рабочем такте «сжатие» над поршнем создается избыточное давление, которое прижимает компрессионное кольцо к нижней полке поршневой канавки и фиксирует это положение. Причем такое положение сохраняется на тактах «рабочий ход» и «выпуск», так как известно, что в конце рабочего хода поршня в НМТ, над ним сохраняется избыточное давление (так у двигателя КАМАЗ это около 3 МПа).