Анатолий Дружинин - Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца

Работа, наиболее распространенного среди автотракторных двигателей внутреннего сгорания (диаметры цилиндров до 140 мм), четырехтактного двигателя заключается в эффективной реализации всех 4-х тактов рабочего цикла:

– «впуск» свежего заряда воздуха;

– «сжатие» рабочей среды, находящейся над поршнем;

– «рабочий ход» поршня, преобразующий огромное давление рабочих газов в механическую работу;

– «выпуск» отработавших рабочих газов и остатков продуктов горения.

Акцентируя внимание на отдельных тактах рабочего цикла двигателя, попробуем рассмотреть каждый из них в виде отдельного проекта, со своими отличиями и особенностями, но, в итоге объединенными в интегральную конструкцию эффективного использования двигателя.

Рабочий такт «впуск» (всасывание) в цилиндр двигателя, или компрессора, расчетного количества свежего заряда воздуха.

В задачу разработчиков любого конструктивного элемента входит: определение формы и размеров изделия, выбор материала заготовки, исходя из условий, в которых будет работать этот элемент. Это очень важный этап проектирования, от которого будет многое зависеть в работе изделия. В качестве исходных данных разработчикам известен только один размер – диаметр цилиндра.

Принципиальный недостаток многих отечественных конструкций (в том числе ДВС), заключается в том, что проектанты, предохраняя себя от негативных последствий в процессе испытаний и эксплуатации разработанного ими изделия, в своих расчетах берут коэффициент запаса не 1,10 или 1,20, как это должно быть, а 1,50 или 2,0, иногда более того. Какое значение это имеет для экономики, известно большинству специалистов. В рассматриваемом нами случае массового типа производства это просто недопустимо.

Исходя из предназначения рабочего такта «впуск», необходимо помнить, чем надежнее уплотнение между поршнем и цилиндром, исключающий, какой-либо подсос из картера, тем больше степень разряжения пространства над поршнем, тем активнее происходит заполнение цилиндра расчетным количеством атмосферного воздуха.

В начале движения поршня в нижнее положение, учитывая огромные скорости перемещения поршня, над ним и, соответственно, в верхней поршневой канавке, образуется некое разряженное пространство. «Впуск» – это единственный такт рабочего цикла двигателя, на который влияние газодинамической схемы, представленной на рис. 1, не распространяется. На данном такте газодинамика, в определенной степени, нейтральна, поэтому, опережая события, можно, абстрагируясь от последующих рабочих тактов, по иному подходить к проектированию компрессионных колец, исходя только из задач, вменяемых такту «впуск».

Тем не менее, производя достаточно сложный расчет упругих сил поршневых колец, разработчики не должны забывать, что на всех тактах рабочего цикла двигателя уплотнительное (компрессионное) поршневое кольцо должно выполнять две основные задачи и одно обязательное условие:

уплотнять пространство между поршнем и цилиндром, обеспечивать передачу тепла от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру, при минимально возможных механических потерях на трение.

Для поршневого кольца, находящегося прижатым к нижней полке поршневой канавки предыдущим тактом, впуск – это время релаксации, одно мгновение. Например, при ходе поршня 80 мм и скорости вращения коленчатого вала 3000 мин -1, скорость перемещения поршня составляет 6 м/с, на двигателях Формулы – 1 средняя скорость поршня 22,5м/с. В течение чрезвычайно краткого промежутка времени, поршневое кольцо должно принять свое естественное положение относительно поршневой канавки и стенки цилиндра. У технологов, по этому поводу, имеется выражение: поршневое кольцо должно «само установиться» по стенке цилиндра. В процессе движения к нижней мертвой точке (НМТ) за счет трения рабочей поверхности кольца о стенку цилиндра, оно смещается к верхней полке поршневой канавки и прижимается к стенке цилиндра собственными силами упругости кольца.

В этом случае, может быть, стоит воспользоваться рекомендацией отечественного ученого Орлина А. С., памятуя о том, что в те давние времена исследователи очень ответственно относились к публикуемым материалам, поэтому в качестве ориентира можно взять рекомендуемое значение давления кольца на стенки цилиндра 0,05…0,3 МПа (0,5…3 кг/см 2) и более [6]. Одновременно, как показали исследования, выражение ученого «…газы прижимают кольцо к стенке цилиндра» не совсем корректно по отношению к современным поршневым кольцам, ибо не соответствуют действительности. В этом убеждаешься, когда выясняется, что они потеряли свою упругость и были прижаты к нижней полке поршневой канавки превосходящей газодинамической силой F о.

В технических условиях на изготовление «кольца поршневого компрессионного» двигателя КАМАЗ 740.1004032 записано: «Нагрузка, приложенная по стрелкам К, при сжатии кольца гибкой лентой до зазора в замке, равного зазору в калибре 120 мм, должна быть 2,3…3,1 кгс». Из этого следует, что, несмотря на очевидную разницу в методиках измерения упругости поршневого уплотнительного кольца, величины рекомендуемых значений в учебнике и разработчиков двигателя КАМАЗ, одного порядка.

Объективности ради, стоит отметить, не имеет смысла ориентироваться ни на рекомендации ученого, ни на практикуемое изготовителями двигателей КАМАЗ значение «нагрузки» при разработке двигателей, имеющих размеры цилиндров порядка 120 мм. В современных двигателях при расчете элементов кинематической системы «цилиндр – поршневое кольцо – поршень» разработчики учитывают величину износа каждого из них, тем самым продлевая гарантийные сроки эксплуатации поршневых колец.

Допускаемая величина износа цилиндра 0,15 мм, увеличивает зазор в замке компрессионного кольца двигателя КАМАЗ до размера 0,94 мм. При износе только рабочей поверхности поршневого кольца на 0,5 мм, зазор в замке кольца увеличивается на 3,14 мм. В больших двигателях допускается износ рабочей поверхности поршневого кольца до 1,0 мм, что соответствует увеличению зазора в замке кольца на 6,28 мм. Итого, общее «допустимое» увеличение зазора в замке компрессионного кольца составит 7,22 мм! Это без термодинамических, т.е. тепловых расширений [4].

Трудно представить себе, как такое «худое» уплотнение, в конструкции которого, по определению, не должно быть каких-либо зазоров, или они должны быть сведены к несущественному минимуму. К сожалению, трудно дискутировать с оппонентами, у которых обезоруживающие аргументы. Во-первых, двигатели «прекрасно» работают, а во-вторых, компрессионные поршневые кольца выполнены точно в соответствии с указаниями отечественных стандартов [8] и [9].