Модернизация двигателей внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа нового поколения

A. M. ДРУЖИНИН





                МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ




ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Учебное пособие
2-е издание










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.43
ББК31.365
    Д76









       Дружинин, А. М.
Д76 Модернизация двигателей внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа нового поколения : учебное пособие / А. М. Дружинин. -2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 148 с. : ил.
           ISBN 978-5-9729-1328-2

           Приведены исследования ошибок и недостатков в конструкции цилиндропоршневых групп двигателей внутреннего сгорания, а также способы их устранения. Рассмотрены процессы влияния газодинамики на работу уплотнительных поршневых устройств, гидродинамики - на работу маслосъемных поршневых устройств и термодинамики - на тепловые изменения формы и размеров цилиндра и поршня. Обоснован способ применения воды в рабочих процессах ДВС. Представлены конструкции элементов ЦПГ, реализация которых позволит увеличить мощность и ресурс двигателя, уменьшить расход топлива и моторного масла, улучшить его экологию.
           Для студентов высших и средних учебных заведений, а также слушателей факультетов и институтов повышения квалификации. Может быть полезно автошколам при изучении теории и практики ДВС, инженерно-техническим работникам моторостроительных предприятий, ученым и специалистам проектно-технологических институтов.

УДК 621.43
                                                               ББК31.365












ISBN 978-5-9729-1328-2

© Дружинин А. М., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                         Научно-техническая и учебная литература -это не священные писания, наставлениям которых следуют в своей духовной и практической жизни, а лишь некий опыт предшествующих поколений, который требует непрерывного развития и совершенствования.
Автор.


            ПРЕДИСЛОВИЕ


    Мотивом для написания эпиграфа к этим материалам послужило продолжительное, и трудное время доказательства простой истины, очевидного обстоятельства, так существенно влияющего на решение определенной проблемы, но отгороженного от этого решения, многими десятилетиями устоявшихся стереотипов, основанных на мнениях и рекомендациях вполне заслуженных, но иногда заблуждающихся авторитетов.
    Полученный личный опыт подтвердил также некий постулат жизненной практики, очевидно в большей степени относящийся к творческим людям, посвятившим себя научно-технической сфере деятельности: смена профессии в различные периоды жизни скорее хорошо, чем плохо. Будучи профессиональным технологом, занимающимся технологическими процессами изготовления творений авиационных конструкторов, длительное время решающий проблему повышенного загрязнения ремонтного производства двигателей внутреннего сгорания, открыл для себя и, надеюсь, для пользы людей, нечто новое и интересное. Причем, все эти «открытия» были опубликованы в научнотехнических журналах и запатентованы, как изобретения. Этот пример может послужить пожеланием автора молодым специалистам: не бояться менять профиль своей деятельности в своей творческой биографии. Чем больше человек знает, чем шире его кругозор, тем проще решать различные проблемы в смежных областях, и не только.
    Для себя автор установил, что современные поршневые кольца, многие десятилетия, применяемые в поршневых машинах, подобно кандалам, сковывающим свободное движение поршня, можно отнести к основной причине, определяющей недопустимо низкий коэффициент полезного действия (КПД) поршневой машины.
    Следовательно, перед разработчиками должна стоять сверхзадача, спроектировать такую кинематическую систему «цилиндр - поршневые кольца -поршень», которая должна выполнять в полном объеме все функции на нее возложенные, при этом в поршневой машине не должны возникать какие-либо заметные изменения в сторону ухудшения в работе в течение расчетного ресурса. Можно упростить: двигатель не должен «ощущать» участия поршневых колец в своей работе.

3

     Тренд высоких коэффициентов полезного действия (КПД), стремящихся к 100% современных энергетических изделий, к коим по праву относится двигатель, утверждал автора в правильности выбранного научно-технического направления определять и исследовать причины подозрительно низкого КПД двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Была уверенность в том, что эти причины существуют и, устранив их можно существенно повысить эффективность ДВС, уменьшить количество вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах. Тем самым не только положительно повлиять на многомиллионный парк еще многие годы эксплуатируемых и постоянно воспроизводимых двигателей самых различных мощностей и назначений, но и дать двигателю хорошую перспективу, полагая, что еще многие десятилетия ДВС будет верно служить человеку.

4

            ВВЕДЕНИЕ



    В книге представлены результаты исследования эффективности цилиндропоршневой группы поршневых машин. Основное внимание уделено двигателям внутреннего сгорания, несколько меньше поршневым компрессорам, учитывая определенную общность и некоторые отличия в назначениях.
    В мировой практике двигателестроения только автомобильных двигателей находится в эксплуатации более миллиарда единиц, кроме того, огромное количество мощных и сверхмощных судовых дизелей и стационарных силовых установок гражданского и военного назначения. Несколько меньше, но также в огромных количествах выпускается и эксплуатируется достаточно большой парк поршневых машин - газо-воздушные поршневые компрессоры, которые широко применяются как мобильные (передвижные, устанавливаемые на автомобилях, на электротранспорте, на судовых дизелях, спецтехнике, и т.д.), так и стационарные, выполняющие самые различные задачи. Поршневых компрессоров могло быть еще больше, если бы не совсем корректная замена их в некоторых случаях более сложными турбокомпрессорами.
    Известно, что поршневые компрессоры имеют более высокий КПД, низкие эксплуатационные расходы, большой срок эксплуатации, компактность, низкий уровень шума. Инновационная модернизация ЦПГ двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров, представленная автором, позволит повысить их эффективность, ресурс и конкурентоспособность, расширить сферу их использования в экономике страны.
    По праву цилиндропоршневую группу двигателей внутреннего сгорания считают «сердцем» мотора по причине схожести их функций, наличие клапанов, определяющие значения давления газа для двигателя или жидкости для человека, присущих им «пороков». Физические возможности человека с больным сердцем могут быть весьма ограничены. Для ДВС тоже существует предел возможного, к сожалению, его КПД может достигать значений 0,5 для некоторых двигателей, т. е. 50% потенциальных возможностей. Этот диагноз - свидетельство серьезного технического недомогания ДВС. Понятно, что КПД, достигший даже 0,5, при имеющихся научно-технических достижениях, никак не может соответствовать энергетическому изделию 21-го века. Возникает подозрение, что с ДВС не все так хорошо, как это представляют теоретики и практики. Очевидно, существуют принципиальные причины, может быть субъективного характера, серьезно влияющие на рабочие процессы, проистекающие в цилиндропоршневой группе. Перед автором стояла задача: определить эти причины и постараться, по возможности, их устранить. Как показали исследования, возможности такие были и раньше, имеются и сейчас.

5

    Не вызывает никаких сомнений актуальность решаемой проблемы. Повысить эффективность поршневых машин - задача не только техникоэкономическая, но и в не меньшей мере, а для крупных мегаполисов даже в большей степени - острая экологическая задача. У современных двигателей менее половины сжигаемого топлива идет на выполнение полезной работы, а большая часть засоряет атмосферу вредными и загрязняющими примесями.
    Необходимо было, во-первых, установить и объяснить причины слишком низкого коэффициента полезного действия двигателя, мало меняющегося со временем. К этому необходимо добавить низкий ресурс, большой расход топлива и, особенно, моторного масла (в связи с его частой заменой) и, как следствие, низкие экологические показатели двигателей внутреннего сгорания. Во-вторых, дать конструкторам, разработчикам ДВС определенные рекомендации по их совершенствованию, причем, не только на стадии проектирования и производства новых двигателей, но, что особенно важно, во время эксплуатации миллионов двигателей и компрессоров, в процессе плановых или внеплановых ремонтах.
    Известно, что КПД энергетического изделия зависит от различных потерь, сопровождающих его работу. Необходимо было определить эти потери и степень их влияния на процессы, протекающие в двигателе и, соответственно, на его эффективность. К основным потерям в работе ДВС принято относить «утечки газов», т.е. газодинамические потери, постоянно меняющиеся в процессе работы двигателя, механические потери на трение и тепловые - термодинамические потери. Известны, хотя и приблизительно, даже величины этих потерь, и место их происхождения - ЦПГ двигателя.
    Основные технико-экономические и экологические характеристики двигателя формируются в цилиндропоршневой группе, в ней следует искать и находить недостатки возможные ошибки, допущенные еще на стадии проектирования. В результате было установлено два существенных дефекта в конструкции ЦПГ двигателя.
    Во-первых, обратили на себя внимание незакономерные, просто огромные механические потери на трение уплотнительных (компрессионных) колец, потери, которых там по определению не должно быть.
    Во-вторых, несоответствие конструкции стандартных маслосъемных поршневых колец своему предназначению, в результате которого были спровоцированы все остальные недостатки двигателя.
    Цилиндропоршневая группа является самым слабым звеном в современном двигателе. Именно при выходе из строя ЦПГ приходится чаще всего выполнять капитальный ремонт двигателя. Причем самой уязвимой частью ЦПГ является уплотнение между поршнем и цилиндром, которое влияет на все процессы, происходящие в двигателе.

6

ГЛАВА I



            ГАЗОДИНАМИКА И ПОРШНЕВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ И КОМПРЕССОРОВ



    Разработчики новых двигателей должны понять, что газодинамика поршневой машины это рабочая среда над поршнем, сжимаемая, например, в автомобильных цилиндрах до 8.20 МПа, которую (рабочую среду) заставляют работать, а она, эта среда, пытается прорваться через мыслимые и немыслимые микро, макро и просто гарантированные проектировщиками зазоры [1]. От того, как создаются и как реализуются газодинамические процессы в ДВС, во многом зависят все технико-экономические характеристики и экологические показатели двигателя.
    Насколько эффективно и стабильно проистекают газодинамические процессы в камере сгорания, создавая рабочее давление в цилиндре двигателя, каковы газодинамические потери на такте рабочий ход, зависит полнота срабатывания рабочего давления, величина полезной работы, мощность и эффективность. Поэтому проектирование всех элементов цилиндропоршневой группы, так или иначе находящихся под воздействием газодинамических процессов, в таком типе производства, как массовое в автомобилестроении и не только, должно учитывать газодинамические процессы, протекающие в верхней части поршня.
    К сожалению, даже специалисты не уделяют поршневому уплотнению необходимого внимания. Более того, некоторые из них считают, что 2.3% газодинамических потерь незначительны для процессов, протекающих в двигателе. Но с этим трудно согласиться. Например, в двигателях КАМАЗ газодинамические потери составляют 1 % от максимального давления 20 МПа в камере сгорания, т. е. 0,2 МПа. Такие потери ставят под сомнение целесообразность использования сложных и дорогих систем дополнительного наддува хотя бы потому, что широко рекламируемый «мягкий» наддув обеспечивает на впуске всего 0,025.0,055 МПа избыточного давления [2]. Следовательно, для наддува используется меньшее давление на впуске, которое может быть компенсировано сохранением свежего заряда воздуха при одном, но очень важном для данной ситуации условии - наличии качественного уплотнения между поршнем и цилиндром.
    Какие нужны аргументы для доказательства того, что КПД современного двигателя, кроме всего прочего, напрямую зависит от полноты срабатывания рабочего давления? Разве не следует учитывать газодинамические потери на такте


7

«рабочий ход», когда «наддув» уже не может повлиять на рабочий процесс? Очевидно следующее: чем меньше газодинамических потерь в цилиндре двигателя, тем большая часть рабочего давления реализуется в работу поршня.
    С сожалением можно констатировать, что нормального поршневого уплотнения, которое действительно уплотняет пространство между поршнем и цилиндром и сводит на нет газодинамические потери или минимизирует их в допустимых пределах, в эксплуатации пока не существует. Нонсенс! Вопрошаем, почему? И попробуем ответить.
    Большие газодинамические и механические потери, связанные с работой компрессионного кольца, серьезно отражаются на форме, размерах и характеристиках двигателя. Тем не менее, в общепринятых формулах расчета уплотнительных поршневых колец почему-то не учитывается влияние газодинамики на работу поршневых колец, работающих в зоне огромных рабочих давлений. Это не просто «упущение», или «недостаток», а принципиальная ошибка.
    Невозможно согласиться с тем, что газодинамика «помогает» собственным силам упругости кольца прижатию его к стенке цилиндра. Здесь тоже стоит разобраться, кто кому помогает. «Уплотнение осуществляется благодаря прижатию кольца к стенке цилиндра силами упругости кольца и давления газов» [3]. Этот, как будто очевидный вывод еще надо было доказать. Если в учебнике заявлено, что газодинамика оказывает воздействие на поршневое кольцо, то логичнее было бы объяснить студентам, будущим специалистам, да и вообще специалистам, какое влияние оказывает и, самое главное, с какими силами. Это, оказалось, так просто сделать, но, в то же время, принципиально и в высшей степени необходимо. Доказательства столь важного вывода представлены в следующих материалах.


            §1. Функции поршневых уплотнений


    Принято считать, что поршневые уплотнения предназначены для устранения прорыва рабочих газов через гарантированный зазор между поршнем и цилиндром, постоянно меняющимся в процессе работы и эксплуатации двигателя в результате термодинамических изменений размеров деталей ЦПГ, а также их износа.
    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, целесообраз

8

нее использование одной поршневой канавки, в которой могут быть установлены несколько поршневых колец. В этой связи, корректнее говорить не об отдельных компрессионных кольцах, а об уплотнительном 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, так как только одного поршневого маслосъемного кольца, как такового, расположенного в отдельной поршневой канавке, явно недостаточно и практически не применяется.
    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 участников процесса - высокотемпературного рабочего газа, достигающего иногда 2273К или 2000°С с не очень «термостойким» моторным маслом, которое сохраняет свои технические свойства при температурах не выше 73...53К или 2°°...22°°С.
    При проектировании поршневого уплотнения, ему необходимо вменять две основные функции:
    -      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.
    При этом, 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 в виде копоти и сажи. Часть этих продуктов выбрасывается в камеру сгорания через зазор между поршнем и цилиндром, остальная часть попадает в поршневую канавку через зазор между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом компрессионного кольца. Под действием высоких давлений и рабочих копоть и сажа, 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 6°% 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

9

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, охлаждаемому цилиндру. Этот вопрос также будет рассмотрен в этих исследованиях.
    Устойчивый тренд использования в последние годы на двигателях легковых автомобилей компрессионных колец с очень малой высотой (около миллиметра), можно считать ошибочным, поскольку входит в противоречие с указанными термодинамическими условиями, вызывая нежелательные явления и серьезные отрицательные последствия.
    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 совер

10