Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров. 100% инновационных элементов ЦПГ

Обычно, под поршневым уплотнением понимают совокупность одного, двух и более поршневых колец, расположенных в специальных кольцевых канавках, выполненных в верхней части (головки) поршня. Иногда встречаются конструкции, в которых предусмотрена установка дополнительного поршневого кольца на юбке в нижней части поршня (уменьшаются динамические нагрузки, стуки поршня о стенку цилиндра, вибрации).

При определении количества поршневых колец следует руководствоваться величиной диаметра цилиндра, частотой вращения коленчатого вала, мощностью и назначением двигателя. Как покажут дальнейшие исследования, целесообразнее использование одной поршневой канавки, в которой могут быть установлены несколько поршневых колец. В этой связи, корректнее говорить не об отдельных компрессионных кольцах, а о поршневом устройстве, как комплекте поршневых колец, размещенных в одной единственной поршневой канавке, можно сказать расточке, расположенной на внешнем диаметре головки поршня. Аналогично следует представлять в двигателе не только «маслосъемное кольцо», а маслосъемное поршневое устройство.

Трудно согласиться с мнением специалистов, считающих, что моторное масло, кроме всего прочего, можно отнести к уплотняющим элементам. По мнению автора, разработчики конструкции поршневого уплотнения должны предотвращать «встречу» двух непримиримых компонентов процесса – высокотемпературного (более 2273К или 2000

С) рабочего газа с не очень «термостойким» моторным маслом, которое сохраняет свои технические свойства при температурах не выше 73…53К или 200…220

С.

Поршневое уплотнение должно выполнять две основные задачи:

– исключать или сокращать до несущественного минимума прорыв рабочих газов в картер двигателя и обеспечивать необходимое разряжение над поршнем в рабочем такте «впуск» свежего заряда воздуха;

– максимально возможно отводить тепло от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру.

Проектируя поршневое уплотнение, необходимо обращать внимание на следующее обстоятельство. Перекрывая зазор между поршнем и цилиндром, конструкция должна устранять не только пропуск сжимаемого воздуха и рабочих газов в поршневую канавку и далее в картер двигателя, но и предотвращать попадание в поршневую канавку копоти и сажи. Дело в том, что при ходе поршня в верхнее положение на такте «выпуск», верхним торцом верхнего компрессионного кольца со стенки цилиндра снимаются продукты сгорания, которые через зазор между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом компрессионного кольца попадают в поршневую канавку. Под действием высоких давлений и рабочих температур эти продукты, в виде копоти и сажи, коксуются, лишая компрессионные кольца подвижности, что приводит к их заклиниванию и поломке двигателя [4]. По второй функции поршневого уплотнения, не менее важной, чем первой, известно, что при отсутствии масляного охлаждения поршня через компрессионные кольца отводится до 60% теплоты, теряемой поршнем [5].

Пренебрежением этой функции при проектировании компрессионного кольца серьезно осложняются, как конструкция, так и работа всего двигателя. Естественно, что отвод тепла от поршня цилиндру тем активнее, чем больше масса поршневого кольца, площади контактных поверхностей системы «стенка цилиндра – рабочая поверхность компрессионного кольца – полки поршневой канавки» и усилия прижатия одной детали системы к другой. Причем, было бы совсем не плохо, если в эту «систему» подключить дополнительный элемент с хорошим коэффициентом теплопроводности, который способствовал бы улучшению теплопередачи от перегретой головки поршня к охлаждаемому цилиндру. Этот вопрос также будет рассмотрен в этих исследованиях.

Применение в последние годы на двигателях легковых автомобилей компрессионных колец с очень малой высотой (около миллиметра), входит в противоречие с указанными термодинамическими условиями, вызывая нежелательные явления и отрицательные последствия, о которых будет изложено ниже.

Уплотнение между поршнем и цилиндром для ДВС является своего рода границей между подготовительными физико-механическими, химическими и термодинамическими процессами (получение топливовоздушной смеси и ее сгорание), призванными получить расчетное давление рабочих газов в цилиндре, и процессами, которые должны максимально эффективно это давление «сработать» с наименьшими потерями, превратив его в полезную работу.

Ученые авторитеты свидетельствуют, что «На преодоление трения поршневых колец приходится приблизительно 40…50%, а иногда до 60% всех механических потерь в двигателе» [5]. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что эти значения явно занижены, а доказательства такого вывода были достаточно подробно изложены и доведены до сведения специалистов [6], [7]. Установлено, что низкий КПД двигателя, застрявший в районе 0,45, это результат больших газодинамических и механических потерь по причине неэффективных уплотнительных и маслосъемных поршневых колец. Причем, обнаруженный дефект в конструкции поршневой группы двигателя: «поршень – поршневые кольца», свидетельство элементарного невнимания специалистов к конструкции, от которой зависят все технико-экономические и экологические характеристики ДВС. Создалось впечатление, что при динамически развивающемся рынке и огромном спросе, разработчиков и изготовителей такое состояние двигателя, по большому счету (в прямом смысле) вполне устраивает теоретиков и практиков. Производителей двигателей как-то можно оправдать тем, что для них любые изменения конструкции, даже незначительные, это дополнительные проблемы, учитывая массовый тип производства и, к тому же им больше импонирует более сложная, значит более дорогая техника. Чего нельзя сказать про потребителей, которые принимают пассивное участие в этом процессе и получают то, что им предлагают.

К сожалению, невозможно понять ученых, разработчиков ДВС, когда они заявляют, что у них нет претензий к поршневым кольцам. Оно и понятно, откуда быть сомнениям, если эти «совершенства» узаконены государственными стандартами. Но надо понимать, что в технике нет ничего абсолютно совершенного, особенно для такого энергетического устройства, как ДВС, у которого такой низкий КПД и целый шлейф различных недостатков и даже ошибок, которые определяют его существование и перспективу. Тем не менее, попробуем разобраться, каким образом ДВС оказался в столь сложном состоянии, требующем принятия нестандартных решений.

Поиски причин низкого КПД двигателя, многолетние исследования его недостатков, выявили основного «виновника» так существенно влияющего на конструкцию поршневой группы и на все основные процессы, протекающие в двигателе. Этой причиной явились неэффективные маслосъемные поршневые кольца, которые, в свою очередь, спровоцировали появление уплотнительных поршневых колец: «Кольца с особым соскабливающим действием» [8]. Теоретически компрессионные кольца никогда не претендовали на маслосъемные функции, и раньше они не были «низкими», высота и радиальная толщина колец были приблизительно одинаковыми.

Несовершенство конструкций маслосъемных колец особенно стало проявляться с началом форсирования ДВС, осуществляемого в основном, за счет повышения скорости вращения коленчатого вала. Маслосъемные кольца перестали справляться со своими функциями. Повышенный расход масла на угар, активное нагарообразование на поверхностях деталей ЦПГ, увеличение количества вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах, заставили разработчиков принимать какие-то меры. Но, вместо того, чтобы совершенствовать конструкцию самих маслосъемных колец, эту проблему переложили на компрессионные кольца, заставив их выполнять не свойственные функции – скоблить стенку цилиндра, освобождая ее от масла, с которым не справилось маслосъемное кольцо. В настоящее время, основываясь на рекомендациях ученого авторитета [8], мировая практика двигателестроения применяет «низкие» компрессионные кольца, к тому же «скручивающиеся» (торсионные) за счет различных фасок, выточек и уклонов торцов компрессионных колец, которые приобретают вдруг понадобившееся «соскабливающее» действие на стенку цилиндра, к сожалению, за счет существенного ухудшения своих уплотнительных качеств [9]. Эти решения нашли свое «законное» воплощение в виде «клинообразных» поршневых колец [8], используемые в отечественных стандартах как «трапецеидальные» [10] и «трапециевидные» [11] поршневые кольца. С точки зрения автора, более правильную позицию в этом смысле занял ГОСТ по поршневым кольцам компрессоров [12], который рекомендует уплотнительные кольца и «низкие» и «высокие», но все прямоугольного профиля.

Как было отмечено выше, у такой ответственной детали, коей является уплотнительное кольцо, работающее в зоне огромных рабочих давлений и температур, размер высоты кольца не рассчитывается, а просто «рекомендуется» стандартом. На один и тот же диаметр цилиндра дается на выбор несколько значений, согласно которым уплотнительное кольцо априори «низкое», т.е. высота кольца у эксплуатируемых двигателей всегда меньше его радиальной толщины. Автор категорично не согласен с такой постановкой вопроса, считая тренд «низких» компрессионных колец ошибкой, которую нужно и, самое главное, можно достаточно просто исправить. Вполне очевидно, что если учесть все условия, в которых работает уплотнительное кольцо, то просто необходимо заменить «свободный» размер высоты кольца на «исполнительный», т.е. расчетный, с указанием отклонений в сотых и даже тысячных долях миллиметра [7]. Пора в проектировании ДВС обратить особое внимание на проблему точности, которой, как показали исследования, в ДВС явно недостает. Необоснованно увеличенные зазоры – наиболее существенный дефект ДВС.

Судовые дизели, особенно мощные, относят к разряду «малооборотных» двигателей. Малые обороты это одновременно хорошо и плохо. Хорошо тем, что при меньшей скорости вращения коленчатого вала, уменьшаются различные центробежные и центростремительные силы, спокойней работает двигатель, создаются более благоприятные условия подготовки и сгорания топливовоздушной смеси, уменьшается износ контактных пар, увеличивается ресурс двигателя. Плохо то, что небольшая скорость перемещения поршня представляет больше времени для газодинамических потерь. Поэтому проблема неэффективного поршневого уплотнения обостряется по мере увеличения диаметров цилиндров и мощностей двигателей, актуализируется и требует своего решения.

Согласно проведенным исследованиям, такое решение вполне возможно, если внести в конструкцию ЦПГ определенные изменения, как оказалось, востребованные всеми типами и моделями двухтактных, четырехтактных двигателей и поршневых компрессоров самых малых и самых больших изделий, без каких-либо ограничений.

§2. Проблемы поршневых уплотнений

Для того, чтобы понять значение и оценить эффективность того или иного технического изделия, следует проанализировать его работоспособность при граничных условиях: нулевых и максимальных величинах влияющих параметров.

Исходя из этого, для понимания значения поршневого уплотнения двигателя внутреннего сгорания, можно представить два конструктивных варианта: поршень без уплотнения с цилиндром и поршень с идеальным уплотнением, не допускающий вообще каких-либо утечек рабочих газов из цилиндра в картер двигателя.

Очевидно, не требует доказательств тот факт, что в первом случае двигатель даже не запустится, не говоря уже о его нормальной работе. И никакие конструкторско-технологические меры этому не смогут помочь. Если даже следовать примеру изготовления плунжерной пары и при изготовлении двигателя попытаться притереть поршень по цилиндру, то, вероятно возможно запустить двигатель, но, как только начнет прогреваться кинематическая пара «поршень – цилиндр», эффективность двигателя будет резко падать до спонтанной его остановки.

При нагреве цилиндра его внутренний диаметр увеличивается в большей степени, чем диаметр поршня. Гарантированный зазор между поршнем и цилиндром, значение которого в практических расчетах при проектировании цилиндра и поршня принимают от 0,04% до 0,06% от величины диаметра цилиндра, еще больше увеличивается. Конечно, это при условии нормального, т.е. эффективного уплотнения между поршнем и цилиндром. Через этот зазор рабочие газы напрямую прорываются в картер двигателя, происходит резкое падение рабочего давления в камере сгорания до значений ниже критических, при которых обычно происходят процессы воспламенения, распространения фронта пламени по всему объему камеры сгорания и сжигания топливовоздушной смеси. Эффективность этих процессов снижается и при определенных параметрах рабочие процессы в камере сгорания прекращаются, двигатель плохо запускается или совсем отказывается работать.

В контексте всего выраженного можно констатировать непреложное правило: эффективная работа двигателя и стабильность рабочих процессов, происходящих в цилиндре, начиная от впуска свежего заряда воздуха и заканчивая выпуском отработанных газов, возможны при условии постоянствавсех факторов, участвующих в подготовке топливовоздушной смеси, ее сгорании и превращения в полезную работу.

Понятно, что одним из основных факторов, влияющих на процессы, происходящие в камере сгорания, является расчетное давление в цилиндре над поршнем, которое кардинальным образом оказывает влияние на работу двигателя, его технико-экономические и экологические характеристики.

Становится очевидным, что давление в цилиндре, в свою очередь, зависит от качества уплотнения между поршнем и цилиндром, другими словами – от эффективности поршневого уплотнения, т.е. от величины потерь трех физико-химических сред, сначала сжимаемого воздуха, затем топливовоздушной смеси и, в итоге, рабочих газов.

К этому обязательно следует добавить, «заложенное» в современных конструкциях поршневых уплотнений, увеличение потерь сжимаемого воздуха, топливовоздушной смеси и рабочих газов за счет термодинамических изменений размеров цилиндра, поршня и компрессионных колец, а также за счет износа деталей цилиндропоршневой группы в процессе эксплуатации двигателя.

Здесь уместно обратить внимание специалистов на пренебрежительное отношение к, так называемым, тепловымзазорам, которые корректнее обозначать, как гарантированные термодинамические зазоры, то есть зазоры, без которых не представляется возможным собрать ЦПГ, величина которых претерпевает изменения в процессе работы и эксплуатации двигателя. Термодинамические зазоры должны гарантировать надежный запуск двигателя и нормальное начало его работы в существующих климатических условиях. Как было отмечено выше, достаточно вольное назначение не только термодинамических, но и иных зазоров – больное место в автостроении.

Из приведенных данных можно сделать определенный вывод, заключающийся в том, что общепринятая принципиальная схема поршневого уплотнения двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров требует серьезной доработки. Причем, уплотнение выглядит простой, теоретически изученной и практически освоенной частью двигателя, поэтому разработчики при совершенствовании двигателя, чаще всего, принимают уплотнение, как данность, к тому же определенную ГОСТами.

Кроме того, раздельное расположение уплотнительных колец, каждого в своей поршневой канавке, можно отнести к разряду принципиальных ошибок в существующих поршневых уплотнениях ДВС и поршневых компрессоров. С обоснованием применения не отдельных «поршневых колец», как это используется в мировой практике двигателестроения, а поршневых уплотнений, как комплекса поршневых колец различной конструкции, расположенных в одном расточенном углублении поршня можно познакомиться в работе [13], подробности будут также представлены ниже.

Используя неэффективные поршневые уплотнения в современных двигателях внутреннего сгорания, разработчики вынуждены принимать меры, которые в той или иной, степени компенсируют недостатки существующих конструкций. Причем, принимаемые «меры» существенно влияют как на форму, так и на содержание двигателя. В качестве самого простого решения снижения газодинамических потерь по вине неудовлетворительного уплотнения конструкторы используют увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя

Обычно газодинамические потери связывают с уменьшением ресурса двигателя, что вполне справедливо, но не только. Увеличение частоты вращения коленчатого вала сокращает время всех подготовительных процессов, связанных с подачей топлива в камеру сгорания, делает более «жесткими» условия работы всех агрегатов и приборов, связанных с этими процессами. Сокращается время всех тактов рабочего цикла двигателя и время всех трех фаз сгорания топливовоздушной смеси, и, следовательно, снижается эффективность (полнота) сгорания топливовоздушной смеси. Это, несомненно, сказывается на увеличении расхода топлива и на ухудшении экологических показателей двигателя.

Можно сколь-угодно много повышать частоту вращения коленчатого вала двигателя, стремясь получить максимальное рабочее давление в цилиндре, но при этом необходимо помнить о том, что это, чаще всего, возможно при кратковременном использовании такого двигателя. Эту меру могут себе «позволить» конструкторы спортивной или военной техники, или иных специальных изделий.

В качестве второго «компенсатора» газодинамических потерь, на многих моделях двигателей, для обеспечения расчетного давления в цилиндре, все больше находят применение достаточно сложные системы и агрегаты различных «наддувов». Причем, эта мера серьезно усложняет конструкцию двигателя, его эксплуатацию и повышает цену. Рассматривая эффективность уплотнения между поршнем и цилиндром, имеет смысл более внимательно отнестись к проблеме наддува, все больше завоевывавшей автомобильный рынок. Соображения по поводу целесообразности использования турбонаддува в ДВС будут рассмотрены более подробно.

Итак, становится очевидным, что несовершенство архаичного по сути уплотнения между поршнем и цилиндром приводит многотрудную работу больших коллективов разработчиков и изготовителей двигателей к скромным результатам, которые должны и могут быть значительно лучше и убедительнее.

Приведенные аргументы должны обратить внимание разработчиков на совершенствование существующих конструкций, памятуя о том, что от качества поршневого уплотнения во многом зависит не только форма, но и содержание современного двигателя. О том, что в поршневых машинах используется заведомо некачественное уплотнение между поршнем и цилиндром, можно судить исходя из анализа формы износа рабочей поверхности компрессионных колец и поверхностей верхнего и нижнего торцов, на которые следует обратить особое внимание. 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 гарантированного зазора между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом поршневого кольца.

Уплотнительные кольца, в силу своей конструктивной специфики, применяются только разрезные, имеют так называемый замок, т.е. зазор в разрезе кольца. Учитывая, что над поршнем и в зазоре между поршнем и цилиндром создается огромное давление рабочих газов от 8 МПа бензиновых двигателей до 20 МПа дизелей, величина зазора замка кольца имеет существенное значение. Многолетние исследования и поиски оптимальной конструкции поршневого уплотнения показали, что размещение компрессионных колец по разным поршневым канавкам приводит к тому, что «60…70% всех утечек происходит через замки поршневых колец» [14].

Некую неопределенность с назначением величины зазора в замках уплотнительных поршневых колец можно наблюдать на отечественной технике различных производителей. Так, например, зазор в замке компрессионного кольца двигателей ВАЗ при диаметре цилиндра 76 мм – от 0,25 до 0,45 мм; двигателей ЗМЗ при диаметре цилиндра 92 мм – от 0,3 до 0,7 мм; двигателей КАМАЗ при диаметре цилиндра 120 мм – от 0,4 до 0,6 мм, и т. д.

По этим данным трудно понять логику разработчиков, если сравнить максимально допустимый зазор 0,45 мм в замке компрессионного кольца двигателя ВАЗ с минимальным, но тоже допустимым зазором 0,4 мм в замке компрессионного кольца двигателя КАМАЗ. Причем в процессе эксплуатации износ компрессионных колец увеличивает величину зазора в замке до таких значений, когда продолжать эксплуатировать двигатель становится экономически нецелесообразно и экологически не позволительно, ему требуется капитальный ремонт.

Кроме того, широкие пределы размера зазора в замке компрессионных колец вызывают газодинамический дисбаланс двигателя, его повышенную вибрацию. Особенно это характерно для двурядных двигателей. Например, в одном ряду двигателя КАМАЗ может находиться цилиндр с поршнем, в котором установлено компрессионное кольцо с допустимым зазором в замке 0,4 мм, в другом ряду – с допустимым зазором в замке 0,6 мм. В результате различных газодинамических потерь в этих цилиндрах производится различная работа, которая сопровождается различными динамическими нагрузками, приводящими к дисбалансу в кинематической системе двигателя и дополнительным вибрациям со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Разработчикам следует не только уменьшить отклонения на выполнение размера зазора, но и минимизировать его с учетом термодинамических изменений формы и размеров поршня и цилиндра.

Не прибегая к каким-либо дополнительным исследованиям, можно предложить исполнительные размеры зазоров замка для двигателей ВАЗ – 0,25

 мм, для двигателей ЗМЗ – 0,3

 мм; для двигателей КАМАЗ – 0,4

 мм. Технологи должны постараться выполнить эти условия. Насколько позволяет проведенный анализ, пока этого в отечественных двигателях не делается.

Последние теоретические и экспериментальные исследования показали, что величину зазора в замке поршневого кольца можно не только минимизировать, но даже и обнулить. Более подробно об этом будет изложено в другом разделе.

§3. Влияние газодинамики на работу поршневых колец

Парадокс, но факт, что многие десятилетия, широко используемые в мировой практике поршневые уплотнения, пожалуй, самая архаичная и безнадежно устаревшая конструкция в современном двигателе. Классическая, жесткая схема уплотнения между поршнем и цилиндром с гарантированными термодинамическими зазорами и постоянно растущими в процессе эксплуатации зазорами в замках поршневых колец допускает, по общепринятому выражению специалистов «утечку» рабочих газов. Может быть, учитывая огромное рабочее давление в цилиндре, динамику процесса и существенные потери свежего заряда воздуха на такте сжатие и, не меньшие потери газо-воздушной смеси на такте рабочий ход, корректнее эти потери классифицировать, не как «утечки», а как прорывы рабочей среды, находящейся в цилиндре над поршнем в направление картера двигателя. Может быть, это позволит разработчикам обратить особое внимание при проектировании элементов цилиндропоршневой группы, обеспечивающих расчетное и стабильное рабочее давление и более полное его срабатывание.

При проектировании нового уплотнения между поршнем и цилиндром необходимо вспомнить о том, что существующие схемы поршневого уплотнения допускают очень большие потери: «В момент вспышки при положении поршня в ВМТ давление в канавке 1-го кольца близко к давлению Р

в цилиндре, а в канавке 2-го кольца составляет лишь 50% этой величины» [3]. Это свидетельство значительного прорыва рабочих газов, как в первую, так и во вторую поршневые канавки, и так далее. К сожалению это простая констатация факта без каких-либо последствий.