Анатолий Дружинин - Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца

Рабочий такт «сжатие» свежего заряда воздуха, топливовоздушной смеси и ее воспламенение.

Рабочий такт «сжатие» принципиально отличается от предыдущего такта «впуск» тем, что получив поршневое кольцо, прижатое к верхней полке поршневой канавки и к стенке цилиндра силой собственной упругости, в начале движения поршня в верхнее положение, поршневое кольцо смещается вниз. Силы трения рабочей поверхности поршневого кольца о стенку цилиндра, а также появляющееся избыточное давление Р 0над поршнем и в поршневой канавке, дополнительно усиливают контакт поршневого кольца с нижней полкой поршневой канавки и стенкой цилиндра.

Очень важно отметить, находясь в нижней мертвой точке в относительно свободном состоянии, поршневое кольцо фиксируется в этом положении, появляющимися изменениями и, в первую очередь, возрастающим давлением над поршнем. Причем, как покажет последующее исследование, это положение уплотнительного поршневого кольца относительно поршня и цилиндра, будет оставаться неизменным на оставшихся тактах рабочего цикла двигателя.

Итак, с началом движения поршня в верхнее положение на рабочем такте «сжатие» вступает в работу газодинамика, согласно, представленной выше схемы на рис. 1. На рабочем такте «впуск» конструкция поршневого уплотнительного кольца, его форма и размеры, не имели большого значения, решая основную задачу эффективного уплотнениясвободного пространства между поршнем и цилиндром при минимально возможных механических потерях на трение.

На данном этапе разработчик должен решить задачу правильного использования газодинамических сил, которые позволят сохранить собственные упругие силы поршневого кольца, то есть упругость, тем самым гарантируя его работоспособность [11].

Для решения этой задачи автор разработал формулу, использование которой в расчетах геометрических характеристик уплотнительного поршневого кольца позволяет нейтрализовать отрицательное влияние огромных газодинамических сил на работу поршневого кольца. Эта формула решила историческую несправедливость субъективного решения при назначении высоты поршневого кольца, хотя и исходило это решение от авторитетного немецкого ученого [5].

Предлагалось «выбрать» для проектируемого двигателя свободный размер высоты уплотнительного поршневого кольца в ничем не обоснованном диапазоне размеров, руководствуясь всего лишь рекомендацией ученого авторитета: «Обыкновенно отношение h/a не должно быть ниже 0,5 – 0,45»(h – высота поршневого кольца, а – радиальная толщина кольца).

Эти рекомендации отечественные ученые, а за ними и разработчики поршневых машин, приняли за аксиому, которая, очевидно, в те далекие шестидесятые годы прошлого столетия, не требовала каких-либо доказательств, экспериментальных и прочих исследований, которые должны были проведены при столь принципиальном решении. Но… Хотели, как лучше…

В результате, вместо непонятного диапазона разброса размеров «рекомендаций» высоты поршневого кольца, появились «четкие» указания отечественных стандартов. Конструкторам уже не требовалось тратить время на какие-то расчеты высоты уплотнительного кольца, тем самым с них, а также со всех «генеральных» и «главных» снималась ответственность за некачественную продукцию.

Например, действующий ГОСТ 621—87 для диаметров цилиндров 88 мм и 130 мм «определил» размер высоты уплотнительных колец для обоих 2,0 мм. Непостижимо! Неужели при разработке столь ответственного документа, как технический стандарт, было непонятно, что от заданного размера диаметра цилиндра, равного внешнему диаметру поршневого кольца, зависят все остальные геометрические характеристики кольца?

Как можно игнорировать огромные рабочие давления в цилиндрах двигателя, достигающие 20 МПа (200 кг/см 2) и активно влияющие на свободные поверхности подвижного поршневого кольца? В этих экстремальных условиях каждая тысячная доля миллиметра размеров высоты уплотнительного кольца и его радиальной толщины, трансформируется в килограммы силы, отражаясь на работоспособности поршневого кольца и, в конечном итоге, на технико-экономических и экологических показателях двигателя. Почему все так произошло подробно описано в публикациях автора.

Для очередного доказательства уже не единожды опубликованного и запатентованного объективного факта, приведем расчет уплотнительного (компрессионного) поршневого кольца, виртуального двигателя, близкого к желаемой конструкции автору, который мог быть использован для отечественных моделей АвтоВАЗа.

Сравнивая два двигателя одного назначения КАМАЗ и МЕРСЕДЕС, автору – профессиональному технологу – мотористу, интуитивно (иногда доверяя конструкторам), был ближе МЕРСЕДЕС. Конечно, не авторитет фирмы здесь имел значение, а прагматизм, подтверждаемый многими годами поиска причин низкой эффективности изделия, проект которого технологи реализуют в металле. Очевидно, не стоит убеждать специалистов – проектантов в необходимости трудных поисков более простой конструкции, которая в полном объеме выполняла бы поставленные перед ней задачи.

Пожалуй, основное преимущество немецкого двигателя, по сравнению с конкурирующими двигателями ООО «КАМАЗ» и ЯМЗ ТМЗ ОАО «Автодизель», является размер его цилиндра 128 мм. Кажется разница небольшая, всего 8 мм, но с учетом огромных рабочих давлений, мощность увеличивается существенно, поэтому конкуренту было позволительно предусмотреть всего 6 цилиндров, со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями.

Логически рассуждая, можно было бы порекомендовать отечественным грузовикам класса КАМАЗ и ЯМЗ использовать диаметр цилиндра 130 мм. Кстати, подобную поршневую группу с диаметром цилиндра 130 мм, изготавливает та же фирма ОАО «Костромской завод МОТОРДЕТАЛЬ», только для тракторных двигателей. Понятно, это мероприятие может быть реализовано только при условии принципиальных изменений конструкции поршневых устройств, следуя предлагаемых принципиальных изменений.

Итак, вернемся к расчету уплотнительного (компрессионного) поршневого кольца, которое могло быть использовано для отечественных моделей АвтоВАЗа. Рассматривая стратегию проектирования подобных двигателей, интересно было познакомиться с особенностями двигателей Формулы – 1. При оборотах двигателя 18 000… 22 500 об/мин и более, двигатель развивает мощность свыше 750 л. с., имея диаметр цилиндра 98 мм, ход поршня 39,7 мм, расход топлива порядка 60 л на 100 км.

Вполне очевидно, что скопировать для наших двигателей из ряда АвтоВАЗа, мало что возможно, но стратегию проектирования, учитывая высочайший класс мастерства привлеченных механиков и мотористов Формулы – 1, следует принять во внимание. В настоящее время имеем двигатели ВАЗ с диаметрами цилиндров 76…82 мм, трех- и четырехцилиндровые.