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 F>0, а к стенке цилиндра радиальной силой F>рад и силой собственной упругости F>упр. 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 Р>раб = 80 кг/см>2. Для удобства расчетов размеры представим в сантиметрах. Диаметр цилиндра – 82 мм = 8,2 см; наружный радиус r>1 – 41 мм = 4,1 см; внутренний радиус r>2 – 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:
S>1 = π (r>1>2 – r>2>2) = 3,14 (4,1>2 – 3,8>2) = 3,14 (16,81 – 14,44) = 7,44 см>2.
Площадь внутренней вертикальной поверхности определяется по формуле: S>2 = 2 πr>2h = 6,28×3,8×0,15 = 3,58 см>2.
Умножив давление рабочих газов на величины площадей, получим:
F>о = Р>раб × S>1 = 80 ×7,44 = 595,2 кгс (5,95кН);
F>рад = Р>раб × S>2 = 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.
