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

При проектировании нового уплотнения между поршнем и цилиндром необходимо вспомнить о том, что существующие схемы поршневого уплотнения допускают очень большие потери: «В момент вспышки при положении поршня в ВМТ давление в канавке 1-го кольца близко к давлению Р zв цилиндре, а в канавке 2-го кольца составляет лишь 50% этой величины» [3]. Это свидетельство значительного прорыва рабочих газов, как в первую, так и во вторую поршневые канавки, и так далее. К сожалению это простая констатация факта без каких-либо последствий.

Рабочий такт «сжатие» характеризуется тем, что при повышенных газодинамических потерях снижается эффективность достижения критического давления сжатия, ухудшается приемистость двигателя из-за ухудшения процесса воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси. На такте «рабочий ход» потери рабочих газов приводят к более резкому падению рабочего давления над поршнем и уменьшению полезной работы цикла и, соответственно, всей работы двигателя. В этой связи уместно привести следующие данные. «На преодоление трения поршневых колец приходится приблизительно до 40…50%, а иногда до 60% всех механических потерь в двигателе. Причем в карбюраторном двигателе с тремя поршневыми кольцами на первое кольцо приходится 60%, на второе 30% и на третье 10% затрат энергии на трение колец» [5].

Эти данные подтверждают прямую зависимость механических потерь от газодинамических процессов, проистекающих в верхней части поршня и в поршневых канавках.

Анализируя кинематику компрессионных колец и приведенные данные, можно свидетельствовать о ненормальности в работе поршневых колец. Не может быть таких запредельных механических потерь на трение кинематических пар, работающих в окружении моторного масла. С этим давно уже требовалось разобраться. Надо было не просто констатировать в учебниках такие данные, а дать анализ причин, способствующих появлению таких запредельных потерь и предложить меры по их устранению. Что и будет представлено в этом труде.

Специалистам должно быть известно, какие неприятности сопровождают газодинамические потери в двигателе. «Если утечка газа через ЦПГ превышает определенный предел, то в работе двигателя проявляются следующие неисправности:

– потеря мощности и повышение расхода топлива;

– дымный выхлоп с синим оттенком при полностью прогретом двигателе;

– ухудшение запуска двигателя;

– ускорение старения масла и увеличение его расхода;

– коксование и пригорание колец в канавках;

– повышенный износ колец и гильз цилиндров;

– перегрев поршня и колец;

– усиление нагаро – и лакоотложения, коррозия деталей, контактирующих с газами внутри картера двигателя;

– течь масла по разъемам, соединениям и прокладкам картера.

Работа двигателя в таком состоянии приводит к поломкам колец, задирам поршней и гильз цилиндров» (конец цитаты) [14].

Своими публикациями в научно-технических журналах, а также многочисленными изобретениями, обращалось внимание разработчиков на газодинамические процессы, которые при определенных условиях, лишают компрессионные кольца их упругих качеств. Кольца теряют свою работоспособность, плохо уплотняют, ухудшая теплопроводность, за счет «скобления» стенки цилиндра существенно повышают механические потери, снижая КПД двигателя и его ресурс. В четырехтактных двигателях положение как-то спасает большое количество и часто заменяемого высококачественного, дорогостоящего моторного масла, находящегося в зоне высоких температур. Двухтактный двигатель, ввиду своих конструктивных особенностей, вынужден реагировать на подобные вызовы «не правильного» поршневого уплотнения увеличением содержания масла в используемом топливе, со всеми вытекающими отсюда «недостатками», на которые ему указывают, включая экологические.

Существует мнение, что при правильном проектировании и изготовлении между поршневым кольцом и зеркалом цилиндра возникает устойчивый гидродинамический смазочный слой, разделяющий поверхности трения. К сожалению, это представляется теоретическим постулатом, на практике таких «правильно спроектированных» поршневых уплотнений пока не существует.

В этом, в известной степени, виновата газодинамика, разночтение которой сказывается на методике проектирования уплотнения между поршнем и цилиндром. Влияние газодинамики на работу компрессионных колец автор представил на всеобщее обозрение еще в 2004г. К сожалению, какой-либо реакции на материалы, опубликованные в уважаемых журналах [15], [16], не появилось.