Как сделать двигатель лучше. Новые поршневые кольца

Анатолий Матвеевич Дружинин

В книге представлена интегральная конструкция ЦПГ, в которой предусмотрены новые компрессионные и маслосъемные поршневые кольца, спроектированные с учетом газодинамических, термодинамических и гидравлических условий, в которых они работают. Обоснована ущербность ГОСТ 621—87, ГОСТ Р 53843—2010 (Кольца поршневые). Созданы условия практического применения воды в рабочих процессах ДВС, а также замещения четырехтактных двигателей более эффективными двухтактными.

Введение

Очевидно, мало найдется специалистов, ученых, практиков авто, сомневающихся в том, что современный двигатель внутреннего сгорания такой распространенный и такой необходимый, несмотря на более, чем вековую историю, можно отнести к последним достижением науки и техники 21-го века. Как показали исследования, считать современный двигатель совершенным, нет оснований [3], [4]. Не добились еще разработчики ДВС гармонии опережающей практики по отношению к отстающей теории. Незакономерно низкий КПД двигателя, затормозившийся в районе 0,4, свидетельство наличия неких гипотез, субъективизма и недостатка серьезных теоретических разработок при проектировании столь ответственной части двигателя, коей является цилиндропоршневая группа.

Проблема эффективности ДВС, лично или опосредованно, касается абсолютного большинства человечества. Многие сотни миллионов самых разных транспортных и специальных средств, использующих поршневую технику, породили сотни тысяч производственных фирм и объединений, малого и среднего предпринимательства, в которых задействованы миллионы рабочих мест.

Только в России в 2016 г на учет было поставлено более 56 млн автомобилей самых различных типов и назначений, затрагивающие интересы десятков миллионов наших соотечественников. Причем не меньшее количество ранее произведенных авто, может быть не столь современных, чем новые, также требуют к себе внимания и определенных мер по их совершенствованию, соответствующей модернизации. Качество приобретаемой и достаточно дорогой техники, имеет принципиальное значение для определения спроса и ответственного предложения. Вполне очевидно, что проблема формы наших авто их внешнего вида, более или менее, решена. Разработчикам следует обратить серьезное внимание на содержание нашей техники, которое в большей степени зависит от состояния двигателя, его технико-экономических и экологических показателей.

Известно, что в 2016 г. авто расходовало более 90 млн. баррелей нефти в сутки, в 2017 — 2019г. прогнозируется 96 — 97 млн. Становится очевидным, насколько актуальна проблема повышения эффективности ДВС всех видов транспорта, специальной техники, силовых энергетических установок, снижения расхода топлива и моторного масла, влияния выхлопных газов на биосферу.

Чаще всего выпускаемую продукцию оценивают качеством ее изготовления. Для энергетического изделия качество изготовления тоже имеет большое значение, но преобладающей характеристикой должна быть его эффективность, основанная на качестве проектирования, изготовления и эксплуатации.

В свое время в ремонтном цехе двигателей АТП-1 г. Казани автор обратил внимание на такую картину: рядом соседствовали два существенно отличающихся друг от друга блоков двигателей, предназначенных для одной и той же модели автобусов. Один блок — наш родной, двигателя КАМАЗ, другой — двигателя МЕРСЕДЕС. Причем, отличия одного от другого принципиальные.

8-ми цилиндровый двигатель КАМАЗ и 6-ти цилиндровый двигатель МЕРСЕДЕС, диаметр цилиндра двигателя у первого — 120 мм, у второго — 128 мм, первый обогатился турбонаддувом, выглядел очень важно и почти убедительно, второй, ну совсем простой, без наддува, называемый атмосферным. Понятно, что спрашивать у водителей, какой двигатель лучше на маршруте и в ремонте, было излишне. Но пример довольно показательный, особенно для разработчиков.

Создается впечатление, что при проектировании двигателей внутреннего сгорания у проектантов и, в первую очередь, ученых специалистов — мотористов, нет единодушия, какой-то объединяющей теоретической базы, которая позволила бы уверенно с пользой для дела решать практические вопросы.

В данной работе автор предлагает свое видение тех недостатков и ошибок, которые совершаются при разработке двигателей, иногда пренебрегая некими физическими законами, имеющими непосредственное отношение при проектировании главной части ДВС — его «сердца» цилиндропоршневой группы.

Тем не менее, основную работу в кинематической схеме «цилиндр — поршневые кольца — поршень» производит поршень с такими простыми по форме и очень ответственными по содержанию элементами конструкции — поршневыми кольцами. Цилиндр же, несмотря на свою значимость, относительно статичный элемент конструкции двигателя, изменения которого можно предусмотреть и отразить в его форме, размерах и технологических процессах его изготовления. Поэтому основное внимание уделим рассмотрению простейшей кинематической системы ДВС «поршень — поршневые устройства».

Проектируя новый двигатель, или проводя модернизацию двигателя в процессе планового или внепланового ремонта, следует рассчитывать на максимальную эффективность, которая должна быть существенно увеличена, то есть коэффициент полезного действия (КПД) двигателя должен быть заведомо больше 0,50, того «достижения», которое рекламируют специалисты отечественного автопрома. К сожалению, на практике КПД двигателя остановился в среднем, где-то в районе 0,4, а с учетом износа в процессе эксплуатации подвижных элементов, иногда не очень качественного топлива и моторного масла и того меньше 0,3 — 0,35.

Вполне очевидно, чтобы существенно повысить КПД двигателя, необходимо соответствующим образом исключить, или существенно уменьшить все перечисленные выше потери.

Двигатель внутреннего сгорания это не только механика, воплощенная в литейных, штамповочных, механических и прочих производственных цехах, это и физические процессы, обеспечивающие его функционирование. Причем, физические процессы во многом определяют механику двигателя, его форму и размеры, которые затем формируют содержание двигателя, его технико-экономические характеристики и экологические показатели.

Недопустимо низкий КПД двигателя — свидетельство больших потерь и, как показали исследования, основная часть их происходит в цилиндропоршневой группе.

Исследования показали, что к преобладающим факторам влияния на эффективность двигателя следует отнести газодинамические потери, незаслуженно отнесенные классиками ДВС к «утечкам газов». Поэтому одна из важнейших проблем современного двигателя — устранение, или сокращение на минимум, всех зазоров в системе «цилиндр — поршневые кольца — поршень», допускающие прорывы газов в процессе работы двигателя.

Данная работа в основном посвящена исследованию проблем и разработке конструкций поршневых устройств, уплотнительных и маслосъемных, не только для двигателей внутреннего сгорания, но и для поршневых компрессоров любых размеров и назначений.