Рис. 1. Газодинамическая схема работы компрессионного кольца двигателя КАМАЗ: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – компрессионное кольцо
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 F>0, а к стенке цилиндра радиальной силой F>рад и силой собственной упругости. Как мы убедимся ниже, сила собственной упругости поршневого кольца ничтожно мала, по сравнению с газодинамической силой F>рад. По законам физики давление газов в замкнутом объеме (в данном случае это пространство, ограниченное поверхностями стенки цилиндра и поршневой канавкой) действует на окружающие поверхности силами, пропорциональными величинам площадей этих поверхностей.
Величина осевой газодинамической силы зависит от величины давления в поршневой канавке и величины площади верхнего торца компрессионного кольца S>1, которая определяется по формуле:
S>1 = π (r>1>2– r>2>2). Величина радиальной силы зависит от того же давления в поршневой канавке и площади внутренней вертикальной поверхности кольца S>2, которая, в свою очередь определяется по формуле: S>2 = 2 πr>2h. Известно, что в верхней поршневой канавке находится почти полное рабочее давление.
Сделаем расчет максимальных газодинамических сил, например, для двигателя КАМАЗ в камере сгорания которого создается рабочее давление порядка 200 кг/см>2 (20 МПа), диаметр цилиндра 120 мм, т.е. r>1 = 60 мм = 6 см, высота кольца h = 3 мм = 0,3см, радиальная толщина t = 5 мм = 0,5 см, поэтому внутренний радиус кольца r>2 = 55 мм = 5,5 см.
Следовательно, S>1 = 3,14 (36 – 30,25) = 18,055 см>2;
S>2 = 6,28 х 5,5 х 0,3 = 10,362 см>2.
Умножив давление рабочих газов на величины площадей, получим:
F>о = 200 кг/см>2 х 18,055 см>2 = 3611 кгс (36,10 кН);
F>рад = 200 кг/см>2 х 10,362 см>2 = 2072 кгс (20,72 кН),
Эти силы буквально блокируют собственную упругость компрессионного кольца, делают его неподвижным, похожим на режущий инструмент – круглый шабер, жестко «закрепленный в поршне этими огромными силами, интенсивно «прирабатывающий» гильзу цилиндра по себе, то есть по своей, к сожалению, не совсем круглой форме. Результатом является характерная выработка гильзы цилиндра в зоне ВМТ в той или иной мере на всех без исключения отечественных и зарубежных двигателях.
В данном случае особый интерес может представить сравнение газодинамических сил с механическими силами собственной упругости компрессионных поршневых колец с достаточно сложным их расчетом. Например, расчетная сила собственной упругости компрессионного кольца двигателя КАМАЗ 740.13 – 1004030 должна быть в пределах 26,46…40,18 Н, то есть газодинамическая радиальная сила более чем в 500 раз превышает силу собственной упругости кольца! Этот огромный контраст делает очевидным превалирующую роль «газодинамики» над «механикой» в расчетах компрессионных поршневых колец. Причем, это происходит в самые ответственные моменты, когда идет процесс сжигания топливовоздушной смеси и давление в камере сгорания достигает максимального значения. По этой проблеме кроме отечественных исследований имеются хорошие исследования немецкой фирмы Goetze, правда, без учета влияния газодинамики на работу компрессионных колец.
На «обработку» гильзы в зоне ВМТ на тактах «сжатие» и «рабочий ход» тратится существенная часть полезной работы. По этой причине проблема ремонта гильзы цилиндра, которая на три четверти ее длины снизу практически не изнашивается, заключается в растачивании гильзы на всю ее длину на размер диаметра изношенной части (что не всегда возможно) или в восстановлении ее верхней части.
