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.
