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

Можно согласиться с оппонентами в том, что на верхнее компрессионное поршневое кольцо оказывает решающее воздействие почти полное рабочее давление, но на этом согласие и заканчивается. Для автора, профессионального технолога по двигателям, необычным явлением стал процесс износа рабочей поверхности компрессионного кольца и стенки гильзы цилиндра, на которой постоянно присутствует смазочное моторное масло. Теоретически и практически невозможно металлическим инструментом соскоблить в ноль масляную пленку с поверхности металлического предмета. Без выпаривания масляной пленки деталь не может подвергаться шабрению, притиранию, шлифованию и прочим механическим процессам обработки.

Поэтому стало непонятно, почему столь активно изнашиваются стенка цилиндра и рабочая поверхность компрессионного кольца. Следовательно, должно быть что-то такое, очевидно, не вполне нормальное, даже экстремальное, чтобы появился достаточно эффективный процесс износа кинематической пары «цилиндр – компрессионное кольцо». Необходимо было установить, как действует рабочее давление, с какими силами, от величины которых естественным образом зависит работоспособность компрессионного кольца, которой она может просто лишиться. На эти необходимые вопросы отвечает газодинамическая схема работы компрессионного поршневого кольца, представленная на рис. 1, впервые опубликованная автором в 2004 году [1].

Рис. 1. Газодинамическая схема работы компрессионного кольца двигателя КАМАЗ: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – компрессионное кольцо

Прорываясь через зазор между поршнем 2 и цилиндром 1 в верхнюю поршневую канавку, рабочее давление прижимает поршневое кольцо 3 к нижней полке поршневой канавки газодинамической силой F 0, а к стенке цилиндра радиальной силой F ради силой собственной упругости. Как мы убедимся ниже, сила собственной упругости поршневого кольца ничтожно мала, по сравнению с газодинамической силой F рад. По законам физики давление газов в замкнутом объеме (в данном случае это пространство, ограниченное поверхностями стенки цилиндра и поршневой канавкой) действует на окружающие поверхности силами, пропорциональными величинам площадей этих поверхностей.

Величина осевой газодинамической силы зависит от величины давления в поршневой канавке и величины площади верхнего торца компрессионного кольца S 1, которая определяется по формуле:

S 1= π (r 1 2– r 2 2). Величина радиальной силы зависит от того же давления в поршневой канавке и площади внутренней вертикальной поверхности кольца S 2, которая, в свою очередь определяется по формуле: S 2= 2 πr 2h. Известно, что в верхней поршневой канавке находится почти полное рабочее давление.

Сделаем расчет максимальных газодинамических сил, например, для двигателя КАМАЗ в камере сгорания которого создается рабочее давление порядка 200 кг/см 2(20 МПа), диаметр цилиндра 120 мм, т.е. r 1= 60 мм = 6 см, высота кольца h = 3 мм = 0,3см, радиальная толщина t = 5 мм = 0,5 см, поэтому внутренний радиус кольца r 2= 55 мм = 5,5 см.

Следовательно, S 1= 3,14 (36 – 30,25) = 18,055 см 2;

S 2= 6,28 х 5,5 х 0,3 = 10,362 см 2.

Умножив давление рабочих газов на величины площадей, получим:

F о= 200 кг/см 2х 18,055 см 2= 3611 кгс (36,10 кН);

F рад= 200 кг/см 2х 10,362 см 2= 2072 кгс (20,72 кН),

Эти силы буквально блокируют собственную упругость компрессионного кольца, делают его неподвижным, похожим на режущий инструмент – круглый шабер, жестко «закрепленный в поршне этими огромными силами, интенсивно «прирабатывающий» гильзу цилиндра по себе, то есть по своей, к сожалению, не совсем круглой форме. Результатом является характерная выработка гильзы цилиндра в зоне ВМТ в той или иной мере на всех без исключения отечественных и зарубежных двигателях.

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.