Анатолий Дружинин - Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца

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.

Определим величины площадей S 1и S 2:

S 1= 3,14 (20,25 – 16,81) = 3.14 × 3,44 = 10,8016 см 2;

S 2= 2× 3,14 × 4,1× 0,4195 = 10,801286 см 2.

Теперь мы можем точно рассчитать величину газодинамических сил F ои F рад, действующих на поршневое компрессионное кольцо, предназначенное для цилиндра двигателя диаметром 90 мм. Для этого умножим величину максимального рабочего давления в цилиндре и в поршневой канавке на размеры определенных площадей поверхностей:

F о= Р раб ×S 1= 80 кг/см 2× 10,8016 см 2= 864,128 кгс;

F рад= Р раб ×S 2= 80 кг/см 2× 10,801286 см 2= 864,103 кгс.

Разницу F рад – F о= 0,025 кгс,можно считать ничтожно малой, лежащей в пределах погрешности измерений, если таковые предвидятся.