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.
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 F0, а к стенке цилиндра радиальной силой Fрад и силой собственной упругости. Как мы убедимся ниже, сила собственной упругости поршневого кольца ничтожно мала, по сравнению с газодинамической силой Fрад. 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 S1, которая определяется по формуле:
S1 = π (r12– r22). Величина радиальной силы зависит от того же давления в поршневой канавке и площади внутренней вертикальной поверхности кольца S2, которая, в свою очередь определяется по формуле: S2 = 2 πr2h. 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/см2 (20 МПа), диаметр цилиндра 120 мм, т.е. r1 = 60 мм = 6 см, высота кольца h = 3 мм = 0,3см, радиальная толщина t = 5 мм = 0,5 см, поэтому внутренний радиус кольца r2 = 55 мм = 5,5 см.
Следовательно, S1 = 3,14 (36 – 30,25) = 18,055 см2;
S2 = 6,28 х 5,5 х 0,3 = 10,362 см2.
Умножив давление рабочих газов на величины площадей, получим:
Fо = 200 кг/см2 х 18,055 см2 = 3611 кгс (36,10 кН);
Fрад = 200 кг/см2 х 10,362 см2 = 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.
На «обработку» гильзы в зоне ВМТ на тактах «сжатие» и «рабочий ход» тратится существенная часть полезной работы. По этой причине проблема ремонта гильзы цилиндра, которая на три четверти ее длины снизу практически не изнашивается, заключается в растачивании гильзы на всю ее длину на размер диаметра изношенной части (что не всегда возможно) или в восстановлении ее верхней части.
Тем не менее, можно достаточно просто исключить вредное влияние рабочего давления на работу компрессионных колец, если устранить зазор между полками поршневой канавки и торцами компрессионного кольца, а также зазор в замке кольца. Как показали последующие исследования, это практически не представляет каких-либо трудностей. Но в рамках жесткой, неуправляемой схемы уплотнения сделать это не представляется возможным, нужна принципиально новая схема уплотнения, которая автоматически учитывала бы все изменения в процессе работы двигателя, то есть была бы саморегулируемой.
В приведенном примере с двигателем КАМАЗ следует обратить особое внимание на разницу газодинамических сил ∆F = 1539кгс (15,40 кН)! На других типах и моделях ДВС полученная закономерность в той или иной степени повторяется. Осевая газодинамическая сила твердо прижимает поршневое кольцо к нижней полке поршневой канавки силой более трех тонн, а радиальная сила пытается выполнять свою функцию – прижимать рабочую поверхность кольца к стенке цилиндра. Понятно, что преодолеть осевую силу, превосходящую почти более чем на 1,5 т, радиальная сила не в состоянии.
Наверное, разработчики должны обратить внимание на эту информацию. Ссылка на то, что в наших учебниках газодинамика по существу не освещается, свидетельствует о том, что пришло время заполнить этот существенный пробел в теории проектирования цилиндропоршневой группы и двигателя в целом.
Прижимая поршневое кольцо к нижней полке поршневой канавки в начале такта «сжатие» и в течение всего такта «рабочий ход», осевая сила блокирует радиальную силу, лишая поршневое кольцо очень важного качества, без которого оно нормально работать просто не может – его упругости. Поршневое кольцо становится конструктивной частью поршня, и только огромные силы, действующие на поршень (для КАМАЗа эта сила равна 22,6 кН), заставляют кольцо смещаться в поршневой канавке в пределах термодинамических зазоров. Причем эти «смещения» отражаются на износе всех контактных пар: стенки цилиндра, рабочей поверхности и торцов кольца, полок поршневой канавки, шатуна, вкладышей и коленчатого вала.
§4. Характер износа компрессионных колец
Форма и содержание износа гильзы цилиндра достаточно наглядно представлены на рис. 1 и в соответствующих пояснениях. Для технолога наибольший интерес представляет сам «режущий» инструмент – компрессионное поршневое кольцо, которое изнашивается при «обработке» гильзы цилиндра, изменяя свои размеры и форму.
Это обстоятельство объясняет огромные механические потери на трение, существенно снижающие КПД двигателя и повышенный износ цилиндра в верхней его части, несмотря на то, что «скоблящие» компрессионные кольца работают в условиях обильной смазки, свободно поступающей в придонную полость поршневой канавки, ограниченной достаточно свободными размерами, о которых подробнее будет изложено ниже.
В данном случае следует обратить внимание на форму износа рабочей поверхности компрессионных колец и поверхностей верхнего и нижнего торцов. Они отличаются по форме и размерам у различных моделей двигателей, причем эти отличия, в основном зависят от соотношения высоты компрессионных колец, радиальной толщины и величины зазора между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом компрессионного кольца.
