Анализ компрессионных колец двигателя ЗМЗ (Заволжский моторный завод), отслуживших свой срок (высотой 2 мм и радиальной толщиной 4 мм), показал, что кроме обычного износа рабочей поверхности этих колец, на который обычно обращают внимание, и который характерен для компрессионных колец двигателя КамАЗ, имеет место более активный износ нижних торцов. Причем величина этого износа достигает недопустимых значений 0,5 мм и более, характерен для «низких» компрессионных колец с большой разницей высоты и радиальной толщины кольца.
Так как тепловой зазор между верхним торцом компрессионного кольца и верхней полкой поршневой канавки регламентируется в пределах 0,06…0,08 мм, то очевидно, какое значение приобретает столь существенное увеличение зазора. При этом имеют место дополнительные газодинамические и теплофизические потери, падение компрессии и мощности двигателя, повышенный расход топлива, а главное, возникает необходимость в более частой замене моторного масла, которое активнее окисляется и теряет свои свойства под действием высокотемпературных рабочих газов. Кроме того, увеличенный зазор между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом компрессионного кольца, это повышенная возможность попадания копоти, снимаемой со стенки цилиндра верхним торцом верхнего компрессионного кольца при движении поршня в верхнее положение на рабочем такте «выпуск». Попадая на свободные поверхности поршневой канавки и кольца, постепенно копоть накапливается и, под действием огромных температур и давлений превращается сначала в нагар, а затем в кокс. Закоксованность компрессионных колец и поршневых канавок – одна из основных причин заклинивания компрессионных колец, приводящих к серьезной поломке двигателя. Особенно этот процесс характерен для отечественных дизелей, в которых используют минеральные моторные масла, при этом нарушая сроки его замены.
Дальнейшие исследования показали, что такой процесс активного износа характерен для технологической операции «притирания» поверхности металлической детали режущим инструментом «притиром».
Причем, здесь также налицо все необходимые технологические атрибуты этого распространенного в машиностроении процесса.
Режущим инструментом – притиром служит нижняя полка поршневой канавки, как и положено для таких инструментов, как притир, выполненная из металла с меньшей твердостью (чаще всего это сплавы алюминия), чем обрабатываемый материал (чугунные или стальные гильзы цилиндров или поршневые кольца). Например, закаленные стальные детали, как правило, притираются чугунными притирами, шаржированные абразивным или алмазным порошками.
Абразивным материалом в данном случае служат твердые частицы отколовшегося кокса, металлических отходов износа деталей цилиндропоршневой группы (в основном, гильзы цилиндра и самого кольца, в том числе и частиц хрома с твердого покрытия рабочей поверхности кольца) и двигателя. На единственном рабочем такте «впуск», когда при ходе поршня в нижнее положение компрессионное кольцо смещается к верхней полке поршневой канавки, между нижней полкой канавки и нижним торцом кольца образуется зазор, в который под большим давлением попадает своеобразная «полировальная абразивная суспензия». Для осуществления процесса притирания также нужны скорость резания и сила резания.
Сила резания, т. е. осевая сила прижима нижнего торца кольца к нижней полке поршневой канавки, здесь меняется значительно, от максимальной силы в районе ВМТ, например, для двигателя ВАЗ она равна 5,5 кН, а для дизеля КАМАЗ – порядка18 кН, и минимальной в районе НМТ.
Скорость резания, в этом случае зависит от частоты «сжатия – разжима» кольца (она в два раза больше скорости вращения коленчатого вала двигателя) и от амплитуды, т.е. расстояния, на которое смещается кольцо относительно нижней полки поршневой канавки. В свою очередь, амплитуда колебаний кольца определяется разницей диаметров нижней и верхней частей цилиндра. Практически она измеряется сотыми и десятыми долями миллиметра, в зависимости от величины диаметров цилиндров. К сожалению, эта разница, в той или иной степени характерна для всех двигателей, к тому же в процессе эксплуатации двигателей достигает значительных размеров, зачастую существенно превышая допустимые нормы.
Все это приводит к значительному износу нижнего торца компрессионного кольца, причем величина этого износа иногда соизмерима с износом рабочей поверхности кольца, и даже превышает его. Например, на «хорошо» поработавшем первом компрессионном кольце бензинового двигателя ЗМЗ износ рабочей поверхности составил – 0,43 мм, нижнего торца – 0,38 мм, верхнего торца – всего 0,03 мм. Чтобы объяснить механику активного износа нижнего торца компрессионного кольца, необходимо познать «физику» процесса его «обработки».
Обработанная таким образом поверхность имеет высочайший класс шероховатости (выше 10-го) и не имеет явно выраженных обработочных рисок, очевидно потому, что, очень незначительна величина перемещения торца кольца относительно полки поршневой канавки, слишком микроскопичны попадающиеся в зону «резания» твердые частицы, прошедшие масляный фильтр, и, конечно, само масло, способствующее «полированию». То есть, в процессе эксплуатации двигателя смазочно-охлаждающее масло постепенно (в начальный период приработки деталей более активно) трансформируется в полировальную пасту, полученную естественным образом.
Незначительные расстояния относительных перемещений «обрабатываемой» поверхности и нижней полки поршневой канавки и очень большая их частота могут убедить в том, что идет «процесс резания», то есть износ нижнего торца кольца. Причем верхний торец «обрабатывается» на порядок меньше нижнего.
Вполне очевидно, что процессы «трения – износа» рабочей поверхности кольца и его нижнего торца различны хотя бы потому, что при шабрении гильзы цилиндра кольцо, находясь в постоянном контакте со стенкой цилиндра, перемещается с огромными скоростями на относительно большие расстояния. Например, при ходе поршня 80 мм и скорости вращения коленчатого вала 3000 мин-1, скорость перемещения поршня (считай скорость шабрения гильзы цилиндра) составляет 6 м/с. В то время, как скорость перемещения нижнего торца кольца (сжатие в НМТ и разжим в ВМТ), при разнице диаметров внизу гильзы цилиндра и вверху 0,2 мм (что допустимо для большинства двигателей), составляет 0,02 м/с, т.е. в 300 раз меньше, чем при шабрении. Но зато сила прижима (сила резания) значительно больше для нижнего торца кольца, чем для его рабочей поверхности.
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.
§5. Конструкции компрессионных поршневых колец
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.
