Не вызывает никаких сомнений актуальность решаемой проблемы. Повысить эффективность поршневых машин – задача не только технико-экономическая, но и в не меньшей мере, а для крупных мегаполисов даже в большей степени – острая экологическая задача. У современных двигателей менее половины сжигаемого топлива идет на выполнение полезной работы, а большая часть засоряет атмосферу вредными и загрязняющими примесями.
Перед автором стояла задача, которая заключалась в следующем. Во-первых, следовало установить и объяснить причины слишком низкого коэффициента полезного действия двигателя, мало меняющегося со временем. К этому необходимо добавить низкий ресурс, большой расход топлива и, особенно, моторного масла (в связи с его частой заменой) и, как следствие, низкие экологические показатели двигателей внутреннего сгорания. Во-вторых, дать конструкторам, разработчикам ДВС определенные рекомендации по их совершенствованию, причем, не только на стадии проектирования и производства новых двигателей, но, что особенно важно, в процессе эксплуатации миллионов двигателей и компрессоров, при плановых или внеплановых ремонтах.
Известно, что КПД энергетического изделия зависит от различных потерь, сопровождающих его работу. Необходимо было определить эти потери и степень их влияния на процессы, протекающие в двигателе и, соответственно, на его эффективность. К основным потерям в работе ДВС принято относить «утечки газов», т.е. газодинамические потери, постоянно меняющиеся в процессе работы двигателя, механические потери на трение и тепловые – термодинамические потери. Известны, хотя и приблизительно, даже величины этих потерь, и место их происхождения – ЦПГ двигателя.
Основные технико-экономические и экологические характеристики двигателя формируются в цилиндропоршневой группе, в ней следует искать и находить недостатки возможные ошибки, допущенные еще на стадии проектирования. В результате было установлено два существенных дефекта в конструкции ЦПГ двигателя.
Во-первых, обратили на себя внимание незакономерные, просто огромные механические потери на трение уплотнительных (компрессионных) колец, каких там по определению не должно быть.
Во-вторых, несоответствие конструкции стандартных маслосъемных поршневых колец своему предназначению, в результате которого были спровоцированы все остальные недостатки двигателя.
Цилиндропоршневая группа является самым слабым звеном в современном двигателе. Именно при выходе из строя ЦПГ приходится чаще всего выполнять капитальный ремонт двигателя. Причем самой уязвимой частью ЦПГ является уплотнение между поршнем и цилиндром, которое влияет на все процессы, происходящие в двигателе.
Газодинамика и поршневые уплотнения двигателей и компрессоров
Разработчики новых двигателей должны понять, что газодинамика поршневой машины это рабочая среда над поршнем, сжимаемая, например, в автомобильных цилиндрах до 8…20 МПа, которую заставляют работать, а она, эта среда, пытается прорваться через мыслимые и немыслимые микро, макро и просто гарантированные проектировщиками зазоры.
От того, как создаются и как реализуются газодинамические процессы в ДВС, во многом зависят все технико-экономические характеристики и экологические показатели двигателя. Насколько эффективно и стабильно проистекают газодинамические процессы в камере сгорания, создавая рабочее давление в цилиндре двигателя, каковы газодинамические потери на такте рабочий ход, зависит полнота срабатывания рабочего давления, величина полезной работы, мощность и эффективность. Поэтому проектирование всех элементов цилиндропоршневой группы, так или иначе находящихся под воздействием газодинамических процессов, в таком типе производства, как массовое в автомобилестроении и не только, должно учитывать газодинамические процессы, протекающие в верхней части поршня.
К сожалению, даже специалисты не уделяют поршневому уплотнению необходимого внимания. Более того, некоторые из них считают, что 2…3% газодинамических потерь незначительны для процессов, протекающих в двигателе. Но с этим трудно согласиться. Например, в двигателях КАМАЗ газодинамические потери составляют 1% от максимального давления 20 МПа в камере сгорания, т. е. 0,2 МПа. Такие потери ставят под сомнение целесообразность использования сложных и дорогих систем дополнительного наддува хотя бы потому, что широко рекламируемый «мягкий» наддув обеспечивает на впуске всего 0,025…0,055 МПа избыточного давления [2]. Следовательно, для наддува используется меньшее давление на впуске, которое может быть компенсировано сохранением свежего заряда воздуха при одном, но очень важном для данной ситуации условии – наличии качественного уплотнения между поршнем и цилиндром.
Какие нужны аргументы для доказательства того, что КПД современного двигателя, кроме всего прочего, напрямую зависит от полноты срабатывания рабочего давления? Разве не следует учитывать газодинамические потери на такте «рабочий ход», когда «наддув» уже не может повлиять на рабочий процесс? Очевидно следующее: чем меньше газодинамических потерь в цилиндре двигателя, тем большая часть рабочего давления реализуется в работу поршня.
С сожалением можно констатировать, что нормального поршневого уплотнения, которое действительно уплотняет пространство между поршнем и цилиндром и сводит на нет газодинамические потери или минимизирует их в допустимых пределах, в эксплуатации пока не существует. Большие газодинамические и механические потери, связанные с работой компрессионного кольца, серьезно отражаются на форме, размерах и характеристиках двигателя. Тем не менее, в общепринятых формулах расчета уплотнительных поршневых колец почему-то не учитывается влияние газодинамики на работу поршневых колец, работающих в зоне огромных рабочих давлений. Это не просто «упущение», а принципиальная ошибка.
Невозможно согласиться с тем, что газодинамика «помогает» собственным силам упругости кольца прижатию его к стенке цилиндра: «Уплотнение осуществляется благодаря прижатию кольца к стенке цилиндра силами упругости кольца и давления газов» [3]. Этот, как будто очевидный вывод еще надо было доказать. Если в учебнике заявлено, что газодинамика оказывает воздействие на поршневое кольцо, то логичнее было бы объяснить студентам, будущим специалистам, да и вообще специалистам, какое влияние оказывает и, самое главное, с какими силами. Это оказалось так просто сделать, но, в то же время, принципиально и в высшей степени необходимо. Доказательства столь важного вывода представлены в следующих материалах.
§1. Функции поршневых уплотнений
Принято считать, что поршневые уплотнения предназначены для устранения прорыва рабочих газов через гарантированный зазор между поршнем и цилиндром, постоянно меняющимся в процессе работы и эксплуатации двигателя в результате термодинамических изменений размеров деталей ЦПГ, а также их износа.
Обычно, под поршневым уплотнением понимают совокупность одного, двух и более поршневых колец, расположенных в специальных кольцевых канавках, выполненных в верхней части (головки) поршня. Иногда встречаются конструкции, в которых предусмотрена установка дополнительного поршневого кольца на юбке в нижней части поршня (уменьшаются динамические нагрузки, стуки поршня о стенку цилиндра, вибрации).
При определении количества поршневых колец следует руководствоваться величиной диаметра цилиндра, частотой вращения коленчатого вала, мощностью и назначением двигателя. Как покажут дальнейшие исследования, целесообразнее использование одной поршневой канавки, в которой могут быть установлены несколько поршневых колец. В этой связи, корректнее говорить не об отдельных компрессионных кольцах, а о поршневом устройстве, как комплекте поршневых колец, размещенных в одной единственной поршневой канавке, можно сказать расточке, расположенной на внешнем диаметре головки поршня. Аналогично следует представлять в двигателе не только «маслосъемное кольцо», а маслосъемное поршневое устройство.
Трудно согласиться с мнением специалистов, считающих, что моторное масло, кроме всего прочего, можно отнести к уплотняющим элементам. По мнению автора, разработчики конструкции поршневого уплотнения должны предотвращать «встречу» двух непримиримых компонентов процесса – высокотемпературного (более 2273К или 20000С) рабочего газа с не очень «термостойким» моторным маслом, которое сохраняет свои технические свойства при температурах не выше 73…53К или 200…2200С.
Поршневое уплотнение должно выполнять две основные задачи:
– исключать или сокращать до несущественного минимума прорыв рабочих газов в картер двигателя и обеспечивать необходимое разряжение над поршнем в рабочем такте «впуск» свежего заряда воздуха;
