Текст книги "Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца"

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.

Рис. 4. Газодинамическая схема пакетного поршневого устройства двигателя или компрессора: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – верхнее поршневое кольцо; 4 – нижнее поршневое кольцо

Существующий зазор между верхней полкой поршневой канавки (расточки) и верхним торцом верхнего компрессионного (уплотнительного) поршневого кольца открыт для прорыва высокотемпературных рабочих газов в придонную полость поршневой расточки и далее в картер двигателя. Вполне очевидно, к каким негативным последствиям это приводит и становится понятным, почему так часто приходится производить замену моторного масла.

Причем устранить термодинамический зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца и верхней полкой поршневой канавки практически не представляется возможным. Можно, согласно принятой нами минимизации всех зазоров в системе «цилиндр – поршневые кольца – поршень» [10], предусмотреть в расчетах его нулевое значение, но, как только двигатель начнет прогреваться, он появляется и постепенно увеличивается.

Есть, пожалуй, единственное решение, это использовать в поршневом уплотнительном устройстве одно из осевых расширительных поршневых колец, рассматриваемых в этой книге. Но об этом более подробно изложено ниже, в каждой конструкции всегда имеются свои плюсы и свои минусы, разработчик должен это оценить и принять правильное решение. Тем не менее, можно воспользоваться, пожалуй, одним из своих эффектных и эффективных изобретений, появление в уплотнительном поршневом устройстве «обжимного» кольца.

Чтобы перекрыть этот исторически существующий канал прорыва рабочих газов, было предложено существующую конструкцию дополнить еще одним поршневым кольцом с противоположными физическими свойствами. В отличие от общепринятой в мировой практике конструкции «разжимных» поршневых колец используются разрезные, предложено использовать сжимающие поршневые кольца (рис. 5).

Такое поршневое кольцо плотно прижато к дну поршневой расточки и имеет возможность смещаться вверх – вниз в пределах размера зазора между верхней полкой поршневой расточки и верхним торцом верхнего компрессионного кольца [14].

При подобном размещении поршневых колец в устройстве необходимо выполнять определенные требования, исходя из того, что верхнее компрессионное кольцо единолично решает проблему влияния газодинамических сил на работоспособность поршневого устройства. Оно является не только основным уплотнительным поршневым кольцом, но и термодинамическим элементом, посредником между перегретой головкой поршня и охлаждаемой гильзой цилиндра. Поэтому материал, из которого изготавливается верхнее компрессионное кольцо, должен иметь наибольший коэффициент теплопроводности и наименьший коэффициент трения.

Рис. 5. Поршневое уплотнительное устройство с обжимным разрезным поршневым кольцом (патент №2372506): 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4, 5 – компрессионные кольца; 6 – обжимное поршневое кольцо

На рис. 6 представлена реальная конструкция поршневого уплотнения для двигателей и компрессоров самых различных назначений. С некоторыми доработками, соответствующими экспериментальными испытаниями, оно может быть запущено в производство.

Оно является не только основным уплотнительным поршневым кольцом, но и термодинамическим элементом, посредником между перегретой головкой поршня и охлаждаемой гильзой цилиндра. Поэтому материал, из которого изготавливается верхнее компрессионное кольцо, должен иметь наибольший коэффициент теплопроводности и наименьший коэффициент трения.

Тем не менее, основное его назначение в кинематической системе «цилиндр – поршневые кольца – поршень», перекрыть прорыв рабочих газов из полости над поршнем в картер двигателя и встречное попадание моторного масла в пространство над поршнем.

Материал: верхнее компрессионное кольцо – бронза; среднее и нижнее компрессионные кольца, обжимное кольцо – бронза или чугун специальный высокопрочный; обжимное кольцо – бронза, чугун специальный высокопрочный

Рис. 6. Эскиз поршневого уплотнительного устройства двигателя (компрессора) с диаметром цилиндра 120 мм

Вспоминая о том, что на двигателе «обкатанном и технически исправном, приблизительно 60 – 70% всех утечек происходит через замки поршневых колец» [15], приходит вполне определенное логическое решение.

Чтобы, кроме всего прочего, исключить влияние зазоров замков на эффективность уплотнения между поршнем и цилиндром, поршневые кольца должны устанавливаться в поршневой расточке так, чтобы замки колец были расположены под 180⁰ по отношению друг к другу. Причем, разрезы замков должны находиться в плоскости перпендикулярной плоскости качания поршня, то есть вдоль оси поршневого пальца.

Для обжимного поршневого кольца есть свое условие установки в поршневой расточке, его разрез замка должен быть расположен под 90⁰ по отношению к другим поршневым кольцам.

Эту конструкцию можно изменить, если верхнее компрессионное (уплотнительное) кольцо заменить на два кольца, не меняя их общую высоту 5,228_—0,005 мм, т. е. каждое поршневое кольцо должно иметь высоту 2,625_—0,005 мм. Очевидно, стоит напомнить разработчикам, что общепринятое мировой практикой требование по точности исполнительных размеров должно быть до третьего знака после запятой.

К сожалению, на этом этапе совершенствование цилиндропоршневой группы не заканчивается. Исключив популярные до последнего времени «скручивающиеся», разумеется «скоблящие» уплотнительные поршневые кольца и, заменив их на ожидаемые двигателем и компрессором классические скользящие поршневые уплотнительные кольца, возникла необходимость решения не менее важной проблемы устранения отрицательного влияния моторного масла на работу двигателя и последствия этой работы.

Маслосъемные поршневые устройства

Необходимость использования моторного масла в таких кинематических контактных системах, подобных паре «цилиндр – поршневое кольцо», не подвергается сомнениям. Проблема использования моторного масла в современных двигателях внутреннего сгорания, состоит в том, что решение эффективного его использования осуществляется не специальной конструкцией для этого предназначенной, а за счет и, самое главное, в ущерб другой конструкции. Под этой конструкцией подразумевается уплотнительное поршневое кольцо.

В предыдущей Главе достаточно подробно были обоснованы некорректные решения ученых и специалистов – мотористов по поводу применения «низких», «скручивающихся» и прочих уплотнительных поршневых колец, отличающихся по форме и размерам от конструкций, полученных расчетом. Такие конструкции, как правило, в серийных производствах проектируются для выполнения конкретных задач, определенной направленности, их относят к разряду специальных.

Ученые, специалисты не должны игнорировать простую истину проектировщика: в серийном, крупносерийном и, особенно массовом типе производства замещение специального элемента конструкции на универсальную конструкцию, граничит со служебной халатностью. Эту информацию доносят до студентов технических учебных заведений на ранних курсах обучения.

В данном тексте не стоит задача подробно останавливаться на преимуществах того или другого решения для разных типов производства, ибо это классика. Понятно только одно, уплотнительные поршневые кольца должны уплотнять пространство между поршнем и цилиндром, а маслосъемные поршневые кольца должны удалять моторное масло со стенки цилиндра, а потому и те и другие, по определению являются специальными элементами цилиндропоршневой группы.

Основной причиной, побудившей взяться за разработку нового маслосъемного поршневого устройств, явилось одно, очень важное обстоятельство, на которое ученые, специалисты – мотористы, должны были обратить внимание – подозрительно малый ресурс моторного масла. При этом не стоит обращать внимание на ежедневный расход масла, угар масла, здесь все более или менее в порядке. Разница между количеством залитого свежего масла и сменяемого не принципиальная, причем это никого не интересует. Показал спидометр 8 000 километров пробега, обращайтесь в сервис, отработанное масло сольют, сделают промывку и зальют свежее. Вся «операция» занимает достаточно большое время простоя и недешево для хозяина техники.

У специалистов и, естественно, у потребителей должен возникнуть вопрос: Почему так часто надо менять моторное масло в двигателе? Для ответа на этот, отнюдь не риторический вопрос, очевидно, следует назвать причину изменения физико-химических свойств отработанного масла и его несоответствия нормативным данным. Если просто так, взять и назвать причину изменения физико-химических свойств моторного масла, то она лежит буквально на поверхности и, наверняка специалисты ее видят, но мер не принимают, эта причина – встреча масла с высокотемпературными рабочими газами.

Тем не менее, очевидно не совсем правильно так однозначно решать вопрос, что больше влияет на изменение физико-химических свойств масла в наших двигателях: рабочая температура или трение-скобление «скручивающихся» компрессионных колец по стенке цилиндра.

С этой точки зрения стоит разобраться с физико-химическим состоянием моторного масла, а также с процессами, в которых оно принимает активное участие. Необходимо определить, для каких целей требуется использование моторного масла, в каком месте, в каком количестве, какого свойства и качества. Для решения этих задач стоит обратиться к истории использования моторного масла в двигателях внутреннего сгорания.

Вполне очевидно, что изначально масло стали применять с одной целью – для смазки трущихся поверхностей элементов цилиндропоршневой группы и все, что связано с коленчатым валом и шатунами, в основном подшипники скольжения. Понятно, что в качестве смазки использовалось минеральное, достаточно дешевое масло. В обязанность водителя входила систематическая проверка уровня масла в картере перед выездом на маршрут. По мере необходимости производилась его доливка. Моторное масло полностью заменялось два раза в году, осенью заливалось зимнее масло с более жидкой консистенцией, весной – летнее, более густое.

Расход масла на автомобиль не был столь обременительным для водителей, нежели в настоящее время. Автор хорошо помнит то время (70-е годы прошлого века), когда пришлось на практике это испытывать на автомобиле Москвич 412. Может представить интерес такая справка: на двигателе «Москвича» устанавливались компрессионные кольца прямоугольного профиля в поперечном сечении, но что особенно интересно, высота поршневого кольца 3,0 мм и радиальная толщина также 3,0 мм. Теперь об этом можно только с благодарностью конструкторам того времени вспоминать, ибо никаких «масляных» проблем у водителей тогда не существовало.

В конце 50-х и начале 60-х годов прошлого века, в связи появлением форсирования ДВС, в основном, за счет увеличения скорости вращения коленчатого вала двигателя, вполне закономерно, возникла не очень приятная проблема, которая, по мнению автора, стала для ДВС принципиальной, повлиявшей на перспективу развития не только двигателей, но и поршневых компрессоров.

Дело в том, что с увеличением скорости вращения коленчатого вала резко увеличился расход масла со всеми сопутствующими недостатками. Повысился расход масла на угар и, следовательно, количество вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах, усилилось нагарообразование на свободных поверхностях компрессионных колец и поршневых канавок, их коксование, заклинивание поршневых колец, задиры цилиндров, поломка двигателя. Стандартные маслосъемные поршневые кольца с витыми расширителями стали забиваться окислившимися отходами масла и выходить из строя.

Анализируя расход моторного масла, не следует акцентировать свое внимание только на расходе масла на угар, которое, хотя и влияет на количество вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах, тем не менее, не является преобладающим. В этом вопросе необходимо обратить внимание на количество, качество, сроки замены моторного масла и цену всего этого.

Тем не менее, в процессе эксплуатации двигателя масло расходовалось на угар, чему способствовал «насосный» эффект масла, причины которого более подробно будут рассмотрены ниже. В обязанности обслуживающего персонала входил ежедневный контроль уровня масла в картере двигателя и, при необходимости, его доливки.

Если сравнить расход масла современным двигателем, когда замену масла производят через каждые 10…15 тысяч км пробега, с не очень далекими прототипами, то это сравнение явно будет не в пользу современного ДВС. И этому есть свое объяснение.

Некачественное уплотнение явилось основной причиной увеличения скорости вращения коленчатого вала, появления высокочастотных, форсированных двигателей, Но и при такой высокой скорости высокотемпературные рабочие газы успевают прорываться в поршневые канавки, в которых накапливается масло, и к основному объему масла, находящемуся в картере двигателя.

В зазорах масло окисляется, образуя нагар и кокс, в картере масло постепенно теряет свои физико-химические качества под действием горячих рабочих газов, а также копоти и нагара, снимаемых со стенки цилиндра компрессионными и маслосъемными кольцами и сбрасываемые в картер двигателя с излишками масла. Это и есть основные причины столь малого ресурса, так часто сменяемого моторного масла.

Такое положение дел с «масляной» проблемой спровоцировало появление целой отрасли производителей самых различных «высокотемпературных», «ресурсных», синтетических, полусинтетических, «супер», «экстра» и прочих дорогостоящих моторных масел и присадок. Если к этому добавить расходы на сервисное обслуживание, расходы на промывочное масло и замену масляных фильтров, утилизацию и не решенную для всей страны экологию, то становится очевидным актуальность этой проблемы. Причем для мощных и сверх мощных дизелей, стационарных силовых установок, спецтехники гражданского и военного назначения, которые вынуждены работать в непрерывном и длительном режиме, проблема замены моторного масла является одной из основных причин использования запасных, аварийных, и просто дублирующих дизелей. Поэтому, решая проблему эффективного использования моторного масла, необходимо обеспечивать максимальный межремонтный ресурс цилиндропоршневой группы, принимая во внимание недостатки, перечисленные выше.

Появились все признаки того, чтобы начать решать «масляную» проблему ДВС, не перекладывая неэффективность маслосъемных колец на компрессионные кольца. Можно бесконечно повторять, что это была грубейшая ошибка наших ученых и специалистов довериться зарубежному авторитету с его «низкими» и «скручивающимися» поршневыми уплотнительными кольцами. Но, просто необходимо предпринимать какие-то конкретные меры. В следующем материале начнем исправлять допущенные ошибки.