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

Износ нижнего торца компрессионных колец приводит к увеличению зазора между верхним торцом кольца и верхней полкой поршневой канавки, способствующего прорыву сжимаемого воздуха, топливовоздушной смеси и рабочих газов из цилиндра в поршневую канавку и далее в картер двигателя. Кроме того, копоть и сажа, снимаемые со стенки цилиндра верхним торцом кольца, через повышенный зазор попадают в придонную полость поршневой канавки, постепенно накапливаясь на свободных поверхностях поршневого кольца и канавки. Под действием высоких давлений и температур происходит коксование поршневых колец и поршневой канавки, изменяющее физические параметры поршневого кольца, в итоге приводящее к его заклиниванию в поршневой канавке и возможной поломке двигателя.

Очевидно, можно констатировать факт существования общей для всех типов поршневых машин закономерности износа уплотнительных колец, основанной как на «механике», так и «газодинамике» процесса, которые следует учитывать разработчикам при проектировании новых двигателей и компрессоров, соответствующих им новых поршневых уплотнительных устройств.

До последнего времени при проектировании поршневых уплотнений для новых изделий разработчики особенно не утруждали себя поиском принципиально новых схем и конструкций, в какой-то мере, не видя в этой простой конструкции нерешенных проблем. Тем более, что под руками у них имелись ГОСТы, ОСТы, отраслевые нормали и прочие документы имеющихся наработок. В качестве вспомогательной литературы использовали и используют до сих пор учебную литературу по двигателям внутреннего сгорания и фундаментальный двухтомник К. Энглиша 1962 года [8]. Наверное, не очень правильно, когда рекомендации, доводы и выводы, приводимые в учебной и научной литературе, принимаются специалистами, как аксиомы, не требующие принципиальных изменений. Очевидно, стоит обратить внимание пользователей на спорность некоторых положений, использование которых не способствуют повышению качества уплотнения между поршнем и цилиндром, существенно влияющего на эффективность поршневой машины.

Проведенные исследования показали, что рассмотрение в поршневом уплотнении только одного поршневого кольца, его конструкции и физико-механических характеристик материала, из которого оно изготавливается не вполне корректно. Дело в том, что, находясь под воздействием высоких давлений и температур рабочих газов, прорывающихся в поршневую канавку, компрессионное кольцо может потерять свою работоспособность, если его геометрические параметры рассчитаны без учета газодинамики.

«Современные рабочие кольца, как правило, имеют высоту кольца меньше, чем его толщину (толщина – это разница внешнего и внутреннего диаметров кольца) в 1,5…2,0 раза, поэтому площадь верхнего торца компрессионного кольца больше его внутренней вертикальной поверхности.

Следовательно, сила, действующая на верхний торец кольца по оси поршня, больше радиальной силы, прижимающей кольцо к стенке цилиндра. Причем разница этих сил в десятки и сотни раз превышающая силу собственной упругости кольца, блокирует радиальную силу и силу собственной упругости кольца, лишая кольцо упругости и подвижности относительно поршня. Компрессионное кольцо теряет свои функции, становится неработоспособным, уподобляясь конструктивному элементу поршня на самых ответственных тактах рабочего цикла двигателя» [6].

Изобретение свидетельствует о систематической принципиальной ошибке при проектировании компрессионных колец, приводящей к наличию бракав конструкции уплотнения между поршнем и цилиндром, выпускаемых и в большом количестве эксплуатируемых двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров. Вполне очевидно, что «неработающее» компрессионное кольцо влияет не только на величину КПД и надежность двигателя и компрессора, но и на все остальные его технико-экономические и экологические характеристики.

Кроме того, располагая компрессионные кольца по различным поршневым канавкам, учитывая наличие гарантированных зазоров между полками поршневой канавки и торцами компрессионного кольца, дном поршневой канавки и поверхностью внутреннего диаметра кольца, а также зазора в замке кольца, априори закладываются значительные прорывы сжимаемого воздуха и рабочих газов. Компенсировать эти издержки разработчики вынуждены увеличением частоты вращения коленчатого вала, введения различных типов наддувов, усложняющих конструкцию двигателя, снижающих его ресурс и повышающих расходы на его эксплуатацию. Причем, от этих мероприятий, кроме значимости, двигатель лучше не становится.