Уплотнительные поршневые устройства
Двигатель внутреннего сгорания, это конструкция, подверженная механическим, газодинамическим, гидродинамическим и термодинамическим воздействиям, которые изменяют форму и размеры отдельных его элементов и частей, находящихся в естественных и рабочих условиях его эксплуатации.
Разработчикам, проектирующим новые двигатели, необходимо знать, какие физические процессы и как влияют на трансформацию конструкции в процессе работы двигателя, которая должна найти отражение в разрабатываемых проектах.
Пока можно только констатировать, что этим «физическим процессам» разработчики ДВС уделяют недостаточное внимание. Наверное, настало время более подробно рассмотреть, какие процессы и, в какой части двигателя, вызывают изменения и, что это за изменения, от которых зависит работа двигателя и его эффективность.
Понятно, что основным источником изменений в двигателе является цилиндропоршневая группа, в которой происходят основные физико-химические процессы, естественным образом оказывающие существенное влияние на работу двигателя. Цилиндропоршневая группа определяет не только размеры основных элементов двигателя, шатуна, коленчатого вала и т.п., но и форму двигателя. Как, попробуем в этом разобраться.
Эффективность любого, большого или малого, энергетического устройства оценивается величиной коэффициента полезного действия, стремящейся к единице, зависящей от комплекса самых различных по своей природе потерь, сопровождающих работу этого устройства.
Специфика двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что кроме обычных механических потерь на трение подвижных элементов кинематической системы, здесь присутствуют газодинамические потери, гидродинамические потери (моторное масло) и тепловые термодинамические потери.
Кроме того, термодинамические изменения в двигателе в процессе его работы, оказывают существенное влияние на эффективность работы цилиндропоршневой группы. Термодинамика меняет форму и размеры цилиндра, поршня, поршневых колец, практически отражается на всех процессах, происходящих в двигателе.
Причем потери в двигателе могут быть объективного характера, по причине каких-либо физических процессов, происходящих внутри конструкции, сложно ограничивающиеся разработчиком и пользователем в процессе эксплуатации изделия. Но могут быть и субъективными, связанные с человеческим фактором, допускающим ошибки в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации энергетического устройства.
Чтобы существенно повысить КПД двигателя, необходимо было выявить эти ошибки и предложить конструкции, исключающие эти потери, или сокращающие их величину до незначительного минимума. Приведенный выше пример свидетельствует о том, что у оппонента двигателя КАМАЗ, потерь существенно меньше и это естественным образом отразилось на КПД двигателя, его форме и содержании.
Перечисленные выше потери, в основном, следует отнести к цилиндропоршневой группе двигателя, которую по праву считают «сердцем» мотора, определяющего технико-экономические характеристики и экологические показатели двигателя. Низкий КПД современного двигателя, это, в первую очередь, свидетельство несовершенства ЦПГ двигателя, наличие ошибок, допущенных в процессе ее проектирования.
§1. Влияние газодинамики на работу поршневого уплотнительного кольца
Из рассмотренных потерь, сопровождающих работу двигателя внутреннего сгорания, имея определенные результаты многолетних теоретических и экспериментальных исследований, целесообразно выделить, как приоритетные, газодинамические потери, оказывающие влияние на основные рабочие процессы, происходящие в камере сгорания и в цилиндре двигателя, в результате, на эффективность работы двигателя.
Проведенные исследования показали, что при анализе различных потерь, характерных для двигателя внутреннего сгорания и влияющих на величину его КПД, пожалуй, основной задачей стало определить место каждого из них, выявить приоритеты и влияние на остальные группы потерь. Исходя из предварительного анализа, на первое место претендуют две группы потерь – механические и газодинамические.
Начнем со вторых, то есть с газодинамики. Надо отдать должное, отечественные ученые и специалисты мотористы, к газодинамике, как фактору, оказывающему серьезное влияние на работу ДВС, относятся снисходительно. В лучшем случае, газодинамика для них – «утечки рабочего газа», определяемые для отдельно взятого поршневого кольца [5].
Анализ точности, величин зазоров в отечественных двигателях, показывает, что теоретические расчеты немецкого ученого по определению величины «утечек рабочего газа» не нашли у нас своего широкого применения. Да и так ли они важны? В последующем рассмотрим некоторые конструкции, где роль «утечек» сведена к несущественному минимуму.
Стоит обратиться к материалам по этому поводу в отечественных учебниках. «Когда кольцо сжато и вставлено в цилиндр, оно принимает цилиндрическую форму и оказывает давление на стенки цилиндра, равное 0,05…0,3 МПа (0,5…3 кг/см2) и более. Во время работы давление кольца на стенки увеличивается, так как проникающие через зазоры между кольцом и поршнем газы прижимают кольцо к стенке цилиндра» [6].
Об этом же, через 10 лет. «Уплотнение осуществляется благодаря прижатию кольца к стеке цилиндра силами упругости кольца и давления газов. В момент вспышки при положении поршня в ВМТ давление в канавке 1-го кольца близко к давлению Pz в цилиндре, а в канавке 2-го кольца составляет лишь 50% этой величины. Давление Р3 за последним кольцом существенно меньше, оно соизмеримо с давлением в картере двигателя. Ввиду значительного давления колец на стенки цилиндра большая часть работы трения в двигателе (до 50%, а иногда до 60%) приходится на кольца, поэтому прижимать кольца чрезмерно большим усилием нельзя» [7]. Как показали исследования, полученные объективные данные, эту аксиому современные ДВС (наверное, их творцы) просят доказать. Что и пытается автор представить в своих публикациях.
Сделанные учеными выводы с одной стороны достаточно очевидные, а с другой стороны неполноценные, носят общий характер, мало влияющий на процесс проектирования поршневых колец. Не достает ответа на главный вопрос: как, и с какими усилиями действует давление рабочих газов в цилиндре на уплотнительное поршневое кольцо?
Процесс постоянно меняющегося давления всасываемого воздуха в цилиндр, затем смешавшегося вместе с топливом в камере сгорания и перешедшего в разряд рабочих газов, следует считать — газодинамическим процессом.
На основе анализа устоявшегося отношения ученых и специалистов мотористов к газодинамике, описывающих влияние давления рабочих газов на работу уплотнительного поршневого кольца, в 2004 году впервые была опубликована автором газодинамическая схема работы компрессионного кольца двигателя КАМАЗ [1]. Причем, так выглядит конструкция и положение компрессионного кольца без каких-либо уклонов верхнего торца и фасок по внутреннему диаметру (рис. 1).
Пришлось вспомнить и использовать известный физический закон, в приложении к данному случаю он может звучать следующим образом:
На свободные поверхности поршневого кольца (верхний торец и внутренняя вертикальная поверхность), расположенного в замкнутом пространстве, ограниченном стенкой цилиндра, дном поршневой канавки и ее верхней и нижней полками, находящемся под давлением рабочих газов, действуют силы, пропорциональные величинам площадей этих поверхностей.
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 Fупр. Расчет этих сил был представлен в предыдущих изданиях автора.
Очевидно наибольший интерес может представить подобный расчет для одного из наиболее популярных отечественных двигателей ВАЗ-2190, имеющего следующие параметры: максимальное давление рабочих газов в цилиндре при положении поршня в верхней мертвой точке, порядка Рраб = 80 кг/см2. Для удобства расчетов размеры представим в сантиметрах. Диаметр цилиндра – 82 мм = 8,2 см; наружный радиус r1 – 41 мм = 4,1 см; внутренний радиус r2 – 38 мм = 3,8 см; радиальная толщина кольца t = 3,0 мм = 0,3 см; высота верхнего компрессионного кольца h = 1,5 мм = 0,15 см.
Рис. 1. Газодинамическая схема работы компрессионного кольца двигателя КАМАЗ
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – поршневое кольцо
Площадь верхнего торца определяется по формуле:
S1 = π (r12 – r22) = 3,14 (4,12 – 3,82) = 3,14 (16,81 – 14,44) = 7,44 см2.
Площадь внутренней вертикальной поверхности определяется по формуле: S2 = 2 πr2h = 6,28×3,8×0,15 = 3,58 см2.
Умножив давление рабочих газов на величины площадей, получим:
Fо = Рраб × S1 = 80 ×7,44 = 595,2 кгс (5,95кН);
Fрад = Рраб × S2 = 80 ×3,58 = 286,4 кгс (2,86 кН).
Из сравнения этих двух газодинамических сил, действующих на подвижное поршневое кольцо вывод очевиден. Двукратно превосходящая осевая сила, надежно придавила поршневое кольцо к нижней полке поршневой канавки, лишив возможности радиальной силе прижать рабочую поверхность поршневого кольца к стенке цилиндра.
Что очень важно отметить в данном случае. Такая закономерность соблюдается во всех случаях, когда над поршнем появляется, имеется избыточное давление. Об этом и не только, рассмотрим на различных тактах рабочего цикла двигателя, но уже сейчас, забегая вперед, можно смело предсказать:
Газодинамическая схема принципиально изменила стратегию и тактику, теорию и практику проектирования двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров. При правильном ее применении в расчетах она оптимизирует размеры, форму и содержание двигателя и компрессора, существенным образом отражается на увеличении коэффициентов полезного действия того и другого.
Все обоснования приведены в работах автора и в данном учебном пособии. На момент написания этого пособия прошло более 12-ти лет после опубликования объективного факта недееспособности поршневого уплотнения. Информация опубликована и запатентована, доведена до сведения ученых и специалистов – мотористов, тем не менее, производители продолжают «производить» супер современные авто, оснащенные двигателями, имеющими столь существенные дефекты. Попробуем еще раз, более подробно изложить не столь сложное для понимания, но очень важное для специалистов решение проблемы повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания.