Анатолий Дружинин.

Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца



скачать книгу бесплатно

Как можно игнорировать огромные рабочие давления в цилиндрах двигателя, достигающие 20 МПа (200 кг/см2) и активно влияющие на свободные поверхности подвижного поршневого кольца? В этих экстремальных условиях каждая тысячная доля миллиметра размеров высоты уплотнительного кольца и его радиальной толщины, трансформируется в килограммы силы, отражаясь на работоспособности поршневого кольца и, в конечном итоге, на технико-экономических и экологических показателях двигателя. Почему все так произошло подробно описано в публикациях автора.

Для очередного доказательства уже не единожды опубликованного и запатентованного объективного факта, приведем расчет уплотнительного (компрессионного) поршневого кольца, виртуального двигателя, близкого к желаемой конструкции автору, который мог быть использован для отечественных моделей АвтоВАЗа.

§3. Практические решения из теоретических выводов

Сравнивая два двигателя одного назначения КАМАЗ и МЕРСЕДЕС, автору – профессиональному технологу – мотористу, интуитивно (иногда доверяя конструкторам), был ближе МЕРСЕДЕС. Конечно, не авторитет фирмы здесь имел значение, а прагматизм, подтверждаемый многими годами поиска причин низкой эффективности изделия, проект которого технологи реализуют в металле. Очевидно, не стоит убеждать специалистов – проектантов в необходимости трудных поисков более простой конструкции, которая в полном объеме выполняла бы поставленные перед ней задачи.

Пожалуй, основное преимущество немецкого двигателя, по сравнению с конкурирующими двигателями ООО «КАМАЗ» и ЯМЗ ТМЗ ОАО «Автодизель», является размер его цилиндра 128 мм. Кажется разница небольшая, всего 8 мм, но с учетом огромных рабочих давлений, мощность увеличивается существенно, поэтому конкуренту было позволительно предусмотреть всего 6 цилиндров, со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями.

Логически рассуждая, можно было бы порекомендовать отечественным грузовикам класса КАМАЗ и ЯМЗ использовать диаметр цилиндра 130 мм. Кстати, подобную поршневую группу с диаметром цилиндра 130 мм, изготавливает та же фирма ОАО «Костромской завод МОТОРДЕТАЛЬ», только для тракторных двигателей. Понятно, это мероприятие может быть реализовано только при условии принципиальных изменений конструкции поршневых устройств, следуя предлагаемых принципиальных изменений.

Итак, вернемся к расчету уплотнительного (компрессионного) поршневого кольца, которое могло быть использовано для отечественных моделей АвтоВАЗа. Рассматривая стратегию проектирования подобных двигателей, интересно было познакомиться с особенностями двигателей Формулы – 1. При оборотах двигателя 18 000… 22 500 об/мин и более, двигатель развивает мощность свыше 750 л. с., имея диаметр цилиндра 98 мм, ход поршня 39,7 мм, расход топлива порядка 60 л на 100 км.

Вполне очевидно, что скопировать для наших двигателей из ряда АвтоВАЗа, мало что возможно, но стратегию проектирования, учитывая высочайший класс мастерства привлеченных механиков и мотористов Формулы – 1, следует принять во внимание.

В настоящее время имеем двигатели ВАЗ с диаметрами цилиндров 76…82 мм, трех– и четырехцилиндровые.

Закончим прерванный расчет влияния газодинамики на работу компрессионного кольца двигателя ВАЗ-2190, представленный выше, но уже для виртуального двигателя с желаемыми исходными данными.

Исходя из проявившейся тенденции наших исследований, можно считать целесообразным, использование для двигателей семейства ВАЗ максимально возможного размера цилиндра. Автор – технолог, интуитивно предполагает, что наиболее предпочтительным может быть взят за основу для дальнейших расчетов – диаметр цилиндра 90 мм. Вторым, очень важным для дальнейших расчетов является величина максимального рабочего давления, которую перенесем из предыдущего расчета компрессионного кольца двигателя ВАЗ – 2190, то есть 8 МПа, а для наших расчетов удобнее оперировать 80 кг/см2.

Итак, нам известен размер внешнего диаметра уплотнительного поршневого кольца. Посмотрим, какой размер внутреннего диаметра «рекомендует» нам ГОСТ Р 53843—2010, «предлагая» радиальную толщину кольца 3,8+0,1—0,15 мм. Следовательно, внутренний диаметр поршневого кольца будет равен 90,0 – 3,8 = 86,2 мм. Причем высоту кольца ГОСТ предлагает взять 2,0 мм. Очень изящное колечко! Очевидно, не стоит доказывать, что разработчики проигнорировали вторую, основную задачу компрессионного кольца – передавать тепло от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру.

Решить эту задачу таким «облегченным» поршневым кольцом просто проблематично, так как была потеряна масса передающего элемента, т. е. поршневого кольца. Следует напомнить, что по причине неудовлетворительного теплообмена между поршнем и цилиндром, автором была обоснована нецелесообразность использования стандартных, применяемых в настоящее время поршневых трапециевидных компрессионных колец (например, на всех моделях двигателей КАМАЗ) [2].

Тем не менее, «трапециевидные» поршневые компрессионные кольца продолжает изготавливать производитель комплектов цилиндропоршневой группы «КОСТРОМА – МОТОРДЕТАЛЬ», оснащая двигатели КАМАЗ, ЯМЗ и многие другие. Придется, уже в который раз, доказывать абсолютную аксиому, изображенную на рис. 2, эта конструкция ничем не напоминает поршневое уплотнительное кольцо и элемент конструкции, который, кроме всего прочего, должен обеспечивать наилучшие условия теплоотвода от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру.


Причем, сам инициатор «скручивающихся», «клинообразных», а по нашему ГОСТу «трапециевидных» поршневых уплотнительных колец, доходчиво объяснял, что «скручивающиеся» кольца получаются в результате того, что «…главные оси инерции образовавшегося (после выточки, скоса, фаски) несиметричного сечения кольца становятся не параллельными (и соответственно), неперпендикулярными к образующей рабочей поверхности, т. е. располагаются наклонно.

Если такое кольцо сжимают до рабочего размера, то оно не остается плоским в своей первоначальной плоскости, а принимает тарельчатую форму так, что нижняя кромка выступает несколько сильнее наружу, и только она приходит в соприкосновение с рабочей поверхностью цилиндра (фиг. 328)» [5]. В данном случае, к большому сожалению, практика подтвердила выводы ученого и с этим можно согласиться, ибо многократно превосходящим над «механикой» газодинамическим силам, без сомнения возможно изменить положение компрессионного кольца в поршневой канавке. Правда, сразу возникает вопрос, а нам «это» надо?


Рис. 2. Компрессионное кольцо с фаской на верхнем торце в динамике: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – поршневое кольцо


Имея определенный опыт и, не соглашаясь с предложениями ГОСТа, проведем расчеты, согласно нашим теоретическим посылам и нашей интуиции, примем размер радиальной толщины поршневого компрессионного кольца равным 4,0 мм. Согласно газодинамической схеме (рис. 1), для того, чтобы исключить отрицательное влияние газодинамики на работу поршневого компрессионного кольца, следует уравнять осевую газодинамическую силу Fо, действующую на верхний торец кольца, с радиальной газодинамической силой Fрад, прижимающей рабочую поверхность поршневого кольца к стенке цилиндра.

При этом следует учесть силу собственной упругости кольца, которая прижимает рабочую поверхность поршневого кольца к стенке цилиндра Fпр.

Для того, чтобы сбалансировать газодинамическую и механическую системы и обеспечить нормальную работоспособность компрессионного (уплотнительного) поршневого кольца, следует выполнить предлагаемое равенство: Fо = Fрад + Fпр.

Для размера диаметра цилиндра 92 мм ГОСТ предлагает принять «минимальную упругость (в ленте) кольца 14,20 Н (1,45 кгс). Этот параметр, для сравнения, в технических условиях на верхнее поршневое компрессионное кольцо двигателя КАМАЗ (диаметр цилиндра 120 мм) задан в пределах 2,3…3,1 кгс. Так как, в кинематической системе «цилиндр – поршневое кольцо – поршень» произошли и происходят принципиальные изменения по нашей воле, надеемся положительные, примем минимально необходимую величину, например, Fпр = 6,0 Н, то есть 0,6 кгс. Дальнейшие расчеты и соответствующие эксперименты должны подтвердить обоснованность такого назначения.

Для выполнения предложенного равенства сил, необходимо уравнять величины площадей поверхности верхнего торца поршневого кольца S1 и внутренней вертикальной поверхности S2, т. е. S1 = S2. Проведем расчет этих площадей. Выше мы приняли величину диаметра цилиндра 90 мм, размер радиальной толщины 4,0 мм, то есть t = 0,4 см; высоту компрессионного кольца обозначим h; рабочее давление Рраб = 80 кг/см2.

Величина площади поверхности верхнего торца компрессионного кольца определяется по формуле S1 = ? (r12– r22), где:

r1 – радиус цилиндра т. е. внешнего диаметра поршневого кольца r1 = 45 мм, или r1 = 4,5 см;

r2 – радиус внутреннего диаметра поршневого кольца, который равен

r2 = r1 – t = 45 – 4 = 41 мм, или r2 = 4,1 см.

Величина площади внутренней вертикальной поверхности кольца S2 определяется по формуле: S2 = 2 ?r2h.

В этой формуле мы принимаем высоту поршневого кольца, как неизвестную величину, ибо доказали, что стандарты нам рекомендуют неверные данные. Попробуем их исправить, для этого приравняем обе площади этих разных поверхностей поршневого кольца ? (r12– r22) = 2?r2h. В этом равенстве размер высоты кольца h — величина неизвестная, легко определяемая по формуле: h = (r12– r22) / 2r2. Подставим значения и получим: h = (20,25 – 16,81) / 2 ? 4,1 = 3,44 / 8,2 = 0,4195 см = 4,195 мм.

Определим величины площадей S1 и S2:

S1 = 3,14 (20,25 – 16,81) = 3.14 ? 3,44 = 10,8016 см2;

S2 = 2? 3,14 ? 4,1? 0,4195 = 10,801286 см2.

Теперь мы можем точно рассчитать величину газодинамических сил Fо и Fрад, действующих на поршневое компрессионное кольцо, предназначенное для цилиндра двигателя диаметром 90 мм. Для этого умножим величину максимального рабочего давления в цилиндре и в поршневой канавке на размеры определенных площадей поверхностей:

Fо = Рраб ? S1 = 80 кг/см2 ? 10,8016 см2 = 864,128 кгс;

Fрад = Рраб ? S2 = 80 кг/см2 ? 10,801286 см2 = 864,103 кгс.

Разницу Fрад – Fо = 0,025 кгс, можно считать ничтожно малой, лежащей в пределах погрешности измерений, если таковые предвидятся.

Можно считать, что практически действие газодинамических сил уравновешено, следовательно, нейтрализовано отрицательное влияние газодинамики на работу поршневого компрессионного кольца. Работоспособность поршневого кольца обеспечивается силой прижима рабочей поверхности кольца к стенке цилиндра, то есть силой упругости самого поршневого кольца. Необходимую величину этой силы можно достигать не только за счет геометрических размеров поршневого кольца, но и определения свойства материала, из которого изготовлено поршневое кольцо и термической обработки, величины зазора в замке кольца, находящегося в свободном состоянии.

Итак, мы получили все необходимые размеры, посмотрим, как будет выглядеть конструкция на эскизе рис. 3.


Рис. 3. Эскиз поршневого уплотнения экспериментального образца двигателя с диаметром цилиндра 90 мм: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – поршневое кольцо


Отличие от газодинамической схемы, представленной на рис. 1 принципиальное, как по форме, так и по содержанию. Главное, к чему привели принятые меры, это освобождение компрессионного кольца от каких-либо перегрузок, связанных с газодинамикой. Поршневому кольцу вернули его упругие качества, нормальное положение относительно полок поршневой канавки и стенки цилиндра, нормальную работоспособность. Форма, содержание (материал, термические операции) и размеры предоставили благоприятные условия для выполнения функций, возложенных на поршневое компрессионное кольцо.

Напомним, поршневое компрессионное кольцо предназначено для выполнения следующих задач:

– надежное уплотнение пространства между подвижным поршнем и неподвижным цилиндром, исключая какие-либо газодинамические потери, или сведя их к несущественному минимуму;

– передача тепла от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру;

– минимальные механические потери на трение рабочей поверхности поршневого кольца о стенку цилиндра.

Проведем анализ соответствия, представленного на рис. 2 эскиза конструкции поршневого уплотнения, с общеизвестными функциональными требованиями к поршневому компрессионному кольцу.

Первое замечание, касающееся уплотнительных качеств поршневого кольца, расположенного в поршневой канавке с наличием гарантированных, то есть, обязательных, технологических и эксплуатационных (в большей степени тепловых) зазоров. Отметим фактическое состояние по этому замечанию, которое достаточно подробно было изложено в трудах автора.

Стоит обратить внимание на то, какую величину зазоров в кинематической системе «цилиндр – поршневое кольцо – поршень», до сих пор используют наши разработчики. Наиболее показательным в данном случае может быть величина зазора между дном поршневой канавки и поверхностью внутреннего диаметра поршневого кольца, который «рекомендует» учебник 0,7…0,95 мм [12].

Не менее «впечатляющими» также представляются зазоры в замках поршневых колец, через которые, как известно, «в картер двигателя происходит до 60…70% всех утечек». Невозможно понять логику разработчиков, если сравнить максимально допустимую величину зазора 0,45 мм в замке компрессионного кольца двигателя ВАЗ (диаметр цилиндра 76 мм) с минимальной, но тоже допустимой, величиной зазора в замке компрессионного кольца двигателя КАМАЗ (диаметр цилиндра 120 мм). Так, кто из них ближе к истине? К сожалению, можно констатировать, что ни тот, ни другой не смогли обеспечить минимально возможные зазоры в замках поршневых колец.

Принимая за основу концепцию «устранения каких-либо зазоров в кинематической системе „цилиндр – поршневое кольцо – поршень“, или сведения их до минимально возможных величин», как указывалось выше, «как одна из мер повышения эффективности ДВС», была проведена и запатентована их минимизация [10].

Здесь стоит отметить два важных обстоятельства.

1. Сведены к незначительному минимуму механические потери на трение поршневого кольца, за счет возвращения ему расчетных упругих качеств и перевода уплотнительного кольца из разряда «скоблящих» в нормальные условия скольжения рабочей поверхности кольца по стенке цилиндра.

2. Существенно изменилась система теплоотвода от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру, за счет увеличения массы поршневого кольца и величин площадей контактных поверхностей кольца с полками поршневой канавки и стенкой цилиндра.

Эти два, очень важных обстоятельства, отразились на всей конструкции двигателя, обоснования по этому поводу будут представлены в дальнейшем, исходя из основополагающих указанных двух. На этом этапе следует обратить внимание на величину высоты Н головки поршня, называемого жаровым поясом, то есть расстояния от торца поршня до верхней полки верхней поршневой канавки. Вполне очевидно, что эта величина Н должна быть минимизирована, исходя из нескольких требований к конструкции поршня.

Известно, что в существующих зазорах, то есть в ограниченных пространствах, куда попадает топливовоздушная смесь, из-за недостатка кислорода, происходит неполное сгорание топлива, что чревато многими отрицательными последствиями. Понятно, что это в большей степени относится к зазорам между поршнем и цилиндром, и между торцами уплотнительного кольца и полками поршневой канавки. Поэтому, чем меньше высота жарового пояса, тем меньше гарантированный зазор между поршнем и цилиндром, тем меньшее количество топливовоздушной смеси будет участвовать в неблагоприятных условиях ее воспламенения и сгорания, тем меньше расход топлива.

Кроме того, уменьшение высоты жарового пояса приводит к естественному снижению размеров и массы самого поршня, что положительно отразится на всей кинематической системе двигателя. Причем, чем больше диаметры цилиндров, тем эффективнее эта логическая мера совершенствования поршневых машин.

Еще раз целесообразно повторить, что минимизация высоты жарового пояса должна следовать во исполнение указанных выше двух требований.

Все это нашло свое подтверждение при проведении экспериментальных исследований двигателя КАМАЗ. Для установки пакета из нескольких поршневых колец потребовалось расточить верхнюю поршневую канавку, причем растачивание, то есть расширение канавки, можно было сделать только за счет уменьшения размера высоты Н жарового пояса. Испытания проводились на поршне сборочный чертеж 740. 1004015 – 11СБ, величина высоты жарового пояса Н = 22 мм, расточили до размера 18 мм. Оценить влияние этого размера было невозможно, так как повлияли и другие изменения конструкции, которые в совокупности привели к положительным результатам испытаний. Тем не менее, из проведенных исследований можно было сделать очень важный вывод. Устранение огромной силовой нагрузки, действующей в процессе «шабрения» гильзы цилиндра верхним компрессионным кольцом – шабером, позволило «ослабить» жаровой пояс. Очевидно, в принципиально изменившихся условиях, размер высоты жарового пояса должны определять не «механики», а «термодинамики». С высоты положения технолога – моториста, для двигателя КАМАЗ можно, не сомневаясь, предложить размер высоты жарового пояса в пределах 10,0 мм.

Устранение огромных механических потерь за счет перевода «скоблящих» компрессионных поршневых колец в разряд скользящих, позволил «ослабить» всю кинематическую силовую систему двигателя, начиная с поршневого пальца, шатуна и далее по системе. Что, безусловно, положительно отразится на форме и содержании двигателя.

Продолжая дальнейшее совершенствование двигателя, обращает на себя внимание представленный на рис. 3 эскиз чертежа и обозначенные на нем газодинамические силы, которые дают возможность обнаружить издержки такой конструкции, как поршневое кольцо. Во-первых, вполне очевидно, что для двигателей и компрессоров одного уплотнительного поршневого кольца явно недостаточно. Может быть, и можно использовать такую схему для маломощных, высокоскоростных двигателей и компрессоров, но и это является сомнительным предприятием.

Итак, для надежного уплотнения между поршнем и цилиндром целесообразно использовать минимум два поршневых уплотнительных (компрессионных) кольца. И здесь также возникла проблема, как располагать поршневые кольца. Автору помог случай, как решить эту проблему. В конце 80-х годов прошлого века в Республике Татарстан возникла проблема с нехваткой поршней для сельхозтехники при наличии большого количества поршней, снятых с двигателей в процессе их капитального ремонта. Основная причина, по которой контролеры снимали их с эксплуатации – это разбитая верхняя поршневая канавка. Обратились за помощью к технологам Казанского авиационного института, вот тогда автор и предложил просто растачивать – обновлять верхнюю поршневую канавку под два стандартных компрессионных кольца.

Республика успешно отпахалась и отсеялась, а автор получил практическое подтверждение правильности выбранного решения [13], у которого оказалась очень хорошая перспектива.

Анализируя общепринятую в мировой практике двигателестроения схему расположения компрессионных и просто уплотнительных колец, руководствуясь полученными практическими результатами, технологу – мотористу показалось нецелесообразным размещение поршневых колец в «персональных» поршневых канавках.

Если бы поршневые кольца были цельные, то есть неразрезные, тогда, может быть, и не появились бы вопросы к схемам их расположения. В противном случае необходимо было развивать, принятое автором, пакетное расположение поршневых колец в одной поршневой канавке, как это представлено на рис.4.

Дальнейшие исследования предопределили принципиальную схему уплотнения между поршнем и цилиндром. Расположение каждого уплотнительного поршневого кольца в своей поршневой канавке – это еще одна принципиальная ошибка при проектировании поршневого устройства. Пакетное размещение поршневых колец в одной поршневой расточке исправляет многолетнее недоразумение, при этом все поршневые уплотнительные устройства, даже самых небольших диаметров цилиндров, должны иметь количество поршневых колец не менее двух.

Причем, в зависимости от диаметра цилиндра, назначения двигателя или компрессора, пакет может содержать большее количество поршневых колец. Анализ газодинамической схемы, представленной на рис. 4, в свою очередь, тоже имеет существенный недостаток этой конструкции.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4