Анатолий Дружинин - Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца

Закончим прерванный расчет влияния газодинамики на работу компрессионного кольца двигателя ВАЗ-2190, представленный выше, но уже для виртуального двигателя с желаемыми исходными данными.

Исходя из проявившейся тенденции наших исследований, можно считать целесообразным, использование для двигателей семейства ВАЗ максимально возможного размера цилиндра.Автор – технолог, интуитивно предполагает, что наиболее предпочтительным может быть взят за основу для дальнейших расчетов – диаметр цилиндра 90 мм. Вторым, очень важным для дальнейших расчетов является величина максимального рабочего давления, которую перенесем из предыдущего расчета компрессионного кольца двигателя ВАЗ – 2190, то есть 8 МПа, а для наших расчетов удобнее оперировать 80 кг/см 2.

Итак, нам известен размер внешнего диаметра уплотнительного поршневого кольца. Посмотрим, какой размер внутреннего диаметра «рекомендует» нам ГОСТ Р 53843—2010, «предлагая» радиальную толщину кольца 3,8 +0,1 —0,15 мм. Следовательно, внутренний диаметр поршневого кольца будет равен 90,0 – 3,8 = 86,2 мм. Причем высоту кольца ГОСТ предлагает взять 2,0 мм. Очень изящное колечко! Очевидно, не стоит доказывать, что разработчики проигнорировали вторую, основную задачу компрессионного кольца – передавать тепло от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру.

Решить эту задачу таким «облегченным» поршневым кольцом просто проблематично, так как была потеряна масса передающего элемента, т. е. поршневого кольца. Следует напомнить, что по причине неудовлетворительного теплообмена между поршнем и цилиндром, автором была обоснована нецелесообразностьиспользования стандартных, применяемых в настоящее время поршневых трапециевидныхкомпрессионных колец (например, на всех моделях двигателей КАМАЗ) [2].

Тем не менее, «трапециевидные» поршневые компрессионные кольца продолжает изготавливать производитель комплектов цилиндропоршневой группы «КОСТРОМА – МОТОРДЕТАЛЬ», оснащая двигатели КАМАЗ, ЯМЗ и многие другие. Придется, уже в который раз, доказывать абсолютную аксиому, изображенную на рис. 2, эта конструкция ничем не напоминает поршневое уплотнительное кольцо и элемент конструкции, который, кроме всего прочего, должен обеспечивать наилучшие условия теплоотвода от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру.

Причем, сам инициатор «скручивающихся», «клинообразных», а по нашему ГОСТу «трапециевидных» поршневых уплотнительных колец, доходчиво объяснял, что «скручивающиеся» кольца получаются в результате того, что «…главные оси инерции образовавшегося (после выточки, скоса, фаски) несиметричного 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)» [5]. В данном случае, к большому сожалению, практика подтвердила выводы ученого и с этим можно согласиться, ибо многократно превосходящим над «механикой» газодинамическим силам, без сомнения возможно изменить положение компрессионного кольца в поршневой канавке. Правда, сразу возникает вопрос, а нам «это» надо?

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

Имея определенный опыт и, не соглашаясь с предложениями ГОСТа, проведем расчеты, согласно нашим теоретическим посылам и нашей интуиции, примем размер радиальной толщины поршневого компрессионного кольца равным 4,0 мм. Согласно газодинамической схеме (рис. 1), для того, чтобы исключить отрицательное влияние газодинамики на работу поршневого компрессионного кольца, следует уравнять осевую газодинамическую силу F о, действующую на верхний торец кольца, с радиальной газодинамической силой F рад, прижимающей рабочую поверхность поршневого кольца к стенке цилиндра.

При этом следует учесть силу собственной упругости кольца, которая прижимает рабочую поверхность поршневого кольца к стенке цилиндра F пр.

Для того, чтобы сбалансировать газодинамическую и механическую системы и обеспечить нормальную работоспособность компрессионного (уплотнительного) поршневого кольца, следует выполнить предлагаемое равенство: F о= F рад+ F пр.

Для размера диаметра цилиндра 92 мм ГОСТ предлагает принять «минимальную упругость (в ленте) кольца 14,20 Н (1,45 кгс). Этот параметр, для сравнения, в технических условиях на верхнее поршневое компрессионное кольцо двигателя КАМАЗ (диаметр цилиндра 120 мм) задан в пределах 2,3…3,1 кгс. Так как, в кинематической системе «цилиндр – поршневое кольцо – поршень» произошли и происходят принципиальные изменения по нашей воле,надеемся положительные, примем минимально необходимую величину, например, F пр= 6,0 Н, то есть 0,6 кгс. Дальнейшие расчеты и соответствующие эксперименты должны подтвердить обоснованность такого назначения.

Для выполнения предложенного равенства сил, необходимо уравнять величины площадей поверхности верхнего торца поршневого кольца S 1и внутренней вертикальной поверхности S 2, т. е. S 1= S 2.Проведем расчет этих площадей. Выше мы приняли величину диаметра цилиндра 90 мм, размер радиальной толщины 4,0 мм, то есть t = 0,4 см; высоту компрессионного кольца обозначим h; рабочее давление Р раб= 80 кг/см 2.

Величина площади поверхности верхнего торца компрессионного кольца определяется по формуле S 1= π (r 1 2– r 2 2), где:

r 1 – радиус цилиндра т. е. внешнего диаметра поршневого кольца r 1= 45 мм, или r 1= 4,5 см;

r 2 – радиус внутреннего диаметра поршневого кольца, который равен

r 2= r 1 – t = 45 – 4 = 41 мм, или r 2= 4,1 см.

Величина площади внутренней вертикальной поверхности кольца S 2определяется по формуле: S 2= 2 πr 2h.

В этой формуле мы принимаем высоту поршневого кольца, как неизвестную величину, ибо доказали, что стандарты нам рекомендуют неверные данные. Попробуем их исправить, для этого приравняем обе площади этих разных поверхностей поршневого кольца π (r 1 2– r 2 2) = 2πr 2h. В этом равенстве размер высоты кольца h —величина неизвестная, легко определяемая по формуле: h = (r 1 2– r 2 2) / 2r 2.Подставим значения и получим: h = (20,25 – 16,81) / 2 × 4,1 = 3,44 / 8,2 = 0,4195 см = 4,195 мм.