Текст книги "Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров. 100% инновационных элементов ЦПГ"

§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.

Рассматривая проблемы нежелательной диспропорции осевой и радиальной газодинамических сил, действующих на компрессионное кольцо, у которого толщина значительно больше высоты кольца, пришлось привлечь технологическую терминологию для объяснения физической сути повышенного износа гильзы цилиндра в ее верхней части. Понятно, что нельзя было оставить без внимания и главного «виновника» столь неприятного изменения формы и размеров гильзы цилиндра и рабочей поверхности самого компрессионного кольца.

В верхней части на стенке гильзы уже нет того количества и такого же качества смазочного слоя масла, как в нижней части цилиндра. Компрессионное кольцо со своими острыми кромками по форме напоминает режущий инструмент – круглый шабер, прижатый «превосходящей» осевой силой к нижней полке поршневой канавки, по сути получивший жесткое закрепление в поршне, как в технологической оправке.

Тем не менее, при движении поршня в верхнее положение компрессионное кольцо «сжимается – разжимается» на величину разницы диаметров цилиндра нижней, охлаждаемой части и верхней части цилиндра, особенно головки его, находящейся в зоне высоких рабочих температур. Дело в том, что, находясь в нижней мертвой точке на рабочем такте «впуск», компрессионному кольцу представлена единственная возможность «расслабиться», установившись по диаметру нижней части гильзы цилиндра, равномерно занимая пространство между стенкой цилиндра и поршнем, выступая из поршня на величину гарантированного термодинамического зазора.

В начале движения на рабочем такте «сжатие» над поршнем создается избыточное давление, которое прижимает компрессионное кольцо к нижней полке поршневой канавки и фиксирует это положение. Причем такое положение сохраняется на тактах «рабочий ход» и «выпуск», так как известно, что в конце рабочего хода поршня в НМТ, над ним сохраняется избыточное давление (так у двигателя КАМАЗ это около 3 МПа).

Под действием огромных сил работы других поршней и соответствующих сил реакции со стороны гильзы цилиндра происходит процесс износа контактных поверхностей. Изменение диаметра цилиндра по высоте заставляет компрессионное кольцо пришабривать гильзу цилиндра по себе, на что тратится дополнительная работа, снижающая и без того низкий КПД двигателя.

Анализ компрессионных колец, отслуживших свой срок, свидетельствует о том, что, потеряв свои упругие качества, компрессионные кольца уподобляются оригинальному режущему инструменту – круглому шаберу.

В результате «шабрения» стенки цилиндра, выполненного из износостойкого чугуна, «шабер» – компрессионное кольцо, изнашивается, его «режущие» кромки притупляются. Эффект «компрессионного кольца – шабера» теперь может объяснить превращение внешних, острых кромок, бывших у нового компрессионного кольца, в радиусные фаски выработавшего свой ресурс кольца (наиболее наглядно это было отмечено на компрессионных кольцах двигателя КАМАЗ). Причем активность этого процесса в известной мере зависит от величины гарантированного термодинамического зазора между торцами кольца и полками поршневой канавки. Чем больше зазор, тем больше угол наклона кольца, активнее износ гильзы цилиндра и кромок кольца, тем больше радиусы скругления кромок.

Действительно, налицо технологический процесс шабрения гильзы цилиндра круглым шабером. Для осуществления этого процесса имеются все необходимые параметры режима: скорость резания, сила резания и глубина резания, активно влияющие на «снятие стружки» со стенки цилиндра, то есть его износа. Если учесть, что на стенке верхней части цилиндра смазочного «материала», чаще всего недостаточно, то можно считать этот процесс действительно активным.

Понятно, что «производительность» процесса снижается из-за наличия масла на стенке цилиндра. В технологических процессах механической обработки деталей прежде, чем шабрить какую-либо поверхность, ее необходимо обезжирить. Тем не менее, имеющиеся огромные силы и наличие достаточно «хорошего» режущего инструмента – компрессионного кольца, вызывают износ гильзы цилиндра и самого кольца, сопровождающийся огромными механическими потерями на трение и соответственно низким КПД двигателя.

Так как максимальная величина зазора между стенкой цилиндра и поршнем в процессе эксплуатации строго регламентирована (для двигателя КАМАЗ это не более 0,15 мм), то такой износ цилиндра – один из обычных факторов, который чаще всего приводит к преждевременному ремонту цилиндропоршневой группы, т.е. капитальному ремонту двигателя.

В начале движения поршня на такте «сжатие», когда в цилиндре отсутствует давление, компрессионные кольца под действием упругих сил сами устанавливаются по гильзе цилиндра, а появившееся избыточное давление фиксирует это положение. При дальнейшем движении поршня между потерявшим упругость компрессионным кольцом и стенкой цилиндра образуется зазор, который достигает максимальных значений в ВМТ в самый неподходящий момент, когда уплотнение должно быть максимально эффективным. Часть этого зазора, находящегося в зонах, сориентированных в плоскости качания поршня, выбирается выступающей частью компрессионного кольца вследствие качания. В этих местах имеются выраженные износы цилиндра, компрессионных колец и поршня, причем с одной стороны износ больше, чем с другой, т.к. идет обработка гильзы цилиндра острой кромкой компрессионного кольца.

Это дает основание полагать, что покрытия рабочей поверхности компрессионных колец твердыми сплавами (хромом, молибденом, и др.) только усугубляет этот процесс. При изнашивании, например хромированной поверхности, частички хрома попадают в смазочное масло. Получается абразивная суспензия, которая увеличивает износ контактных пар, существенно сокращая ресурс ЦПГ и двигателя в целом.

Кроме того, физические свойства компрессионных колец должны обеспечивать более быструю приработку рабочей поверхности кольца по гильзе цилиндра, тем самым, сокращая время обкатки двигателя и вывод его на полную мощность. Твердые покрытия рабочей части кольца существенно увеличивают сроки приработки кольца по гильзе цилиндра, сохраняя отрицательное влияние погрешности формы кольца при его изготовлении на качество уплотнения в течение длительного срока эксплуатации двигателя. Кроме того, сохраняя «режущие» качества колец, не только увеличивается износ цилиндра двигателя и снижается его ресурс, но и увеличиваются силы «резания», повышая механические потери на трение и уменьшая КПД двигателя.

По определению компрессионное кольцо должно быть «слабым» звеном в цилиндропоршневой группе, так как оно менее дорогостоящее в изготовлении и ремонте, чем цилиндр двигателя, то есть не поршневое кольцо должно прирабатывать гильзу цилиндра по себе, а наоборот, поршневое кольцо должно прирабатываться по гильзе цилиндра. Тем не менее, в последние годы лужение стали заменять другими, естественно более дорогими твердыми покрытиями. Например, ведущее предприятие по производству деталей цилиндропоршневой группы для автомобилей и тракторов в России и СНГ ОАО «Костромской завод МОТОРДЕТАЛЬ» изготавливает комплекты поршневых колец с хромированными рабочими поверхностями. Рекламируя свои изделия, изготовители ссылаются на технологии «ведущих мировых производителей», среди партнеров завода называется международный концерн Federal Mogul.

Хотя ГОСТ 621 – 87 не определяет конкретные материалы покрытий, тем не менее, указывает на их существование, оговаривая, например, шероховатость R_а «…для рабочих поверхностей с твердым износостойким покрытием…».

В дополнение к этому можно привести следующий факт. Партнер ОАО «КАМАЗа» концерн «Federal Mogul», который в своих рекомендациях, с целью повышения маслосъемных свойств 2-го кольца, предлагает отказаться от износостойкого покрытия, изменить форму с односторонней трапеции на прямоугольную, что вполне укладывается в русле настоящих и ранее опубликованных материалов автора.

Поэтому становится очевидным нецелесообразность применения дополнительных и дорогостоящих гальванических операций нанесения твердых покрытий на рабочую поверхность компрессионных колец любых по мощности и назначению ДВС.

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.

Проведенные исследования показали, что рассмотрение в поршневом уплотнении только одного поршневого кольца, его конструкции и физико-механических характеристик материала, из которого оно изготавливается не вполне корректно. Дело в том, что, находясь под воздействием высоких давлений и температур рабочих газов, прорывающихся в поршневую канавку, компрессионное кольцо может потерять свою работоспособность, если его геометрические параметры рассчитаны без учета газодинамики.

«Современные рабочие кольца, как правило, имеют высоту кольца меньше, чем его толщину (толщина – это разница внешнего и внутреннего диаметров кольца) в 1,5…2,0 раза, поэтому площадь верхнего торца компрессионного кольца больше его внутренней вертикальной поверхности.

Следовательно, сила, действующая на верхний торец кольца по оси поршня, больше радиальной силы, прижимающей кольцо к стенке цилиндра. Причем разница этих сил в десятки и сотни раз превышающая силу собственной упругости кольца, блокирует радиальную силу и силу собственной упругости кольца, лишая кольцо упругости и подвижности относительно поршня. Компрессионное кольцо теряет свои функции, становится неработоспособным, уподобляясь конструктивному элементу поршня на самых ответственных тактах рабочего цикла двигателя» [6].

Изобретение свидетельствует о систематической принципиальной ошибке при проектировании компрессионных колец, приводящей к наличию брака в конструкции уплотнения между поршнем и цилиндром, выпускаемых и в большом количестве эксплуатируемых двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров. Вполне очевидно, что «неработающее» компрессионное кольцо влияет не только на величину КПД и надежность двигателя и компрессора, но и на все остальные его технико-экономические и экологические характеристики.

Кроме того, располагая компрессионные кольца по различным поршневым канавкам, учитывая наличие гарантированных зазоров между полками поршневой канавки и торцами компрессионного кольца, дном поршневой канавки и поверхностью внутреннего диаметра кольца, а также зазора в замке кольца, априори закладываются значительные прорывы сжимаемого воздуха и рабочих газов. Компенсировать эти издержки разработчики вынуждены увеличением частоты вращения коленчатого вала, введения различных типов наддувов, усложняющих конструкцию двигателя, снижающих его ресурс и повышающих расходы на его эксплуатацию. Причем, от этих мероприятий, кроме значимости, двигатель лучше не становится.

Любая деталь характеризуется геометрической формой, геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами материала, из которого она изготавливается. В настоящее время используются всего две геометрические формы компрессионных колец: прямоугольная и трапециевидная. Как уже было представлено выше, обе эти формы применяются на полном «законном» основании, так как, в свое время, на них были разработаны соответствующие ГОСТы, которые современные разработчики «корректируют» по своему усмотрению. Выбирая ту или иную геометрическую форму компрессионного кольца, разработчик должен найти серьезные обоснования установленной конструкции, так как различия в форме кольца накладывают определенные условия на работу поршневого уплотнения и двигателя в целом.

Наиболее распространенной является классическая, прямоугольная форма кольца, самая простая и дешевая в изготовлении и эксплуатации, применяется на всех видах двигателей внутреннего сгорания, а также поршневых компрессоров и поршневых насосов. Компрессионные кольца прямоугольной формы характеризуются тремя основными геометрическими параметрами: наружным диаметром, внутренним диаметром и высотой кольца. Кроме того, на рабочем чертеже указывается очень важный размер зазора в замке, различные фаски и галтели, а также необходимые технические условия, которые должны выполняться в технологическом процессе изготовления кольца и в процессе его испытания.

Если к форме прямоугольных компрессионных колец, как показывает практика, пока особых претензий не имеется, то к компрессионным кольцам трапециевидной формы, несмотря на многолетнюю практику их эксплуатации, есть серьезные вопросы.

В учебной литературе по этому поводу есть следующее замечание: «С повышением уровня форсирования хорошо зарекомендовали себя трапециевидные кольца, которые менее склонны к закоксовыванию по сравнению с прямоугольными кольцами» [3]. Достаточно спорный вывод. Если «меньшая склонность» к закоксовыванию не совсем очевидный тезис, то сама форма кольца, в том виде, как она представлена в ГОСТе, уже вызывает большие сомнения в целесообразности ее использования. Многолетняя практика применения таких колец была бы хорошим аргументом в их пользу, если бы основные характеристики двигателя, его КПД и ресурс стали бы от этого лучше. Но, к сожалению КПД двигателя недопустимо низкий, а к экологии его еще больше претензий.

Поэтому, прежде чем вводить, в свое время, в практику двигателестроения трапециевидные поршневые кольца, надо было более внимательно ознакомиться с положительными и отрицательными последствиями принимаемого архиважного решения, принципиально влияющего на работу поршневых колец, и о которых предупреждал инициатор предлагаемых «новаций» [8]. Очевидно, пришло время разобраться в самой сути этой проблемы.

В первоисточнике термины «трапециевидные поршневые кольца» (ГОСТ Р 53843—2010) или, как было изначально «трапецеидальные поршневые кольца» (ГОСТ 621—87) имели более доходчивое название: «Клинообразные кольца (кольца с конусными торцовыми поверхностями)» [8, стр. 444]. Причем выдано это под заманчивым для разработчиков предлогом: «Кольца с пониженной склонностью к пригоранию в канавках поршня». Кому из главных и не очень главных конструкторов не захочется применить столь соблазнительную находку? Рассматривая «Скручивающиеся (торсионные) поршневые кольца», ученый относит к ним не только «клинообразные» кольца, но и другие виды колец, которые «имеют на внутренней поверхности в верхней ее части приблизительно прямоугольную выточку (уступ) или скос» (там же, стр. 439). Ни много, ни мало, и далее: «Кольца такой формы применяются для всех диаметров, которые встречаются в двигателях внутреннего сгорания». В большинстве конструкций отечественных ДВС можно увидеть подобную «выточку», «скос», или фаску, как это представлено в наших ГОСТах. В связи с этим вспоминаются простые компрессионные кольца прямоугольного профиля без каких-либо «выточек» и «фасок» на обоих торцах, без твердых покрытий рабочих поверхностей. Автор не помнит, чтобы в то время были особые претензии к компрессионным кольцам.

Из объяснения классика становится понятным, что «скручивающиеся» кольца получаются в результате того, что «…главные оси инерции образовавшегося (после выточки) несимметричного 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)» (там же, стр. 439).

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

Наверное, с этим следует согласиться, механика и газодинамика могут привести поршневое кольцо в подобное положение. Возникает вопрос, разве это не повредит уплотнительному кольцу выполнять свои основные функции?

Для автора почему-то такое положение кольца, воспроизведенное из первоисточника на рис. 2, не производит впечатления уплотняющего элемента. Причем, кроме устранения зазора между поршнем и цилиндром, уплотнительное, компрессионное кольцо, должно еще передавать избыточное тепло от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру. Трудно представить какой-либо теплообмен между поршнем и цилиндром достаточно большой массы по линии?

Можно допустить, что такие насильственные изменения объемного положения трапециевидного кольца в пространстве оказывают определенное влияние на процесс нагарообразования.

Хотя немецкий ученый предостерегал: «Склонность к поломке у клинообразных колец несколько выше, чем у нормальных уплотнительных колец, так как они при неизбежных радиальных смещениях никогда полностью не могут прилегать к нижней торцовой поверхности канавки. Особенно это имеет место у клинообразных скручивающихся колец» (там же, стр. 444). Констатация поразительного факта, что уплотнительные кольца «никогда не могут прилегать» к нижней полке поршневой канавки, обозначает только одно, что между ними может быть зазор, который там по определению не должен быть ни при каких обстоятельствах. Отсюда следует очень простой вывод, ГОСТ регламентирует уплотнительные кольца, которые априори не предназначены для уплотнения, а только «для борьбы с пригоранием». А ведь на всех двигателях «автотракторостроения» именно такие уплотнительные кольца, к которым у специалистов нет претензий.

Но нельзя ли, как-нибудь иначе решать проблемы нагарообразования, не лишая компрессионное кольцо своих функций? На самом деле проблема «пригорания» колец решается достаточно просто, не прибегая ни каким изменениям формы и содержания самих поршневых колец.

Во-первых, компрессионное кольцо должно плотно прилегать к нижней полке поршневой канавки и стенке цилиндра, иметь расчетные площади контакта, через которые тепло динамично передается от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру. Во-вторых, устранять нагарообразование на контактных поверхностях можно, оставляя на стенке цилиндра минимально необходимую, сверхтонкую пленку моторного масла, заменив неэффективные маслосъемные кольца, предлагаемые ГОСТом, инновационными. Кроме того, необходимо минимизировать все зазоры, особенно бессмысленный зазор в придонной полости поршневой канавки, где накапливается излишнее количество масла, встречающееся с высокотемпературным рабочим газом [17].

Немецкий ученый, видимо был озабочен неудовлетворительной работой маслосъемных колец, поэтому рекомендовал уплотнительные «Кольца с особым соскабливающим действием» (там же, стр. 446). Надо полагать, что уплотнительные кольца «с пониженной склонностью к пригоранию» и «особые соскабливающие» предназначены «помочь» маслосъемным кольцам выполнять свои функции. Хотя логичнее было бы заставить маслосъемные кольца выполнять свои функции.

Приведенные аргументы не смогли убедить оппонентов в нецелесообразности использования трапециевидных компрессионных колец, постараемся несколько иначе рассмотреть работу компрессионного кольца в процессе эксплуатации, ибо такое, несмотря ни на что, оказалось вполне возможным.

В том виде, как эта форма поршневого кольца нашла отражение в указанном источнике, она практически не применялась (рис.3, а). Тем не менее, в первое время ее использовали на двигателях КАМАЗ, причем с меньшими углами наклона верхнего и нижнего торцов кольца, в отличие от рекомендаций ГОСТа (рис. 3, б). В основном отечественные и зарубежные разработчики используют трапециевидную форму компрессионного кольца с уклоном верхнего торца, причем так, что кольцо обращено меньшей вертикальной стороной к оси поршня.

Рис. 3. Трапециевидные компрессионные поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания

а – стандартное; б – двигателя КАМАЗ

Анализируя работу компрессионного кольца трапециевидной формы, необходимо обратить внимание на угол наклона верхнего торца кольца по отношению к своему нижнему торцу. Существующим ГОСТ Р 53843—2010, который современные разработчики интерпретируют по своему усмотрению, предусматривается величина уклона верхнего торца компрессионного кольца 10⁰±15΄. В последние годы он постоянно снижался и у компрессионных колец двигателей КАМАЗ он равнялся 7^0+18́, а на последних моделях и того меньше – 6^0+16́ на угол обоих торцов, т.е. по 3⁰ на каждый угол.

Уменьшение угла наклона верхнего торца компрессионного кольца вошло в противоречие еще с одним очень серьезным явлением, также отрицательно влияющим на работу поршневого уплотнения. Дело в том, что в клиновых кинематических парах существует определенная зависимость, связанная с динамикой их взаимодействия. Если разработчику необходимо обеспечить надежный неподвижный контакт клиновых соединений, он назначает угол клинового соединения менее 12⁰ (сталь по стали, шлифованные). Угол 12⁰ и менее обеспечивает необходимые условия для самотормозящейся кинематической пары.