Анатолий Дружинин - Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров. 100% инновационных элементов ЦПГ

Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров

100% инновационных элементов ЦПГ

Анатолий Матвеевич Дружинин

© Анатолий Матвеевич Дружинин, 2016

Редактор Фарида Бинятулловна Мирзамова

ISBN 978-5-4483-2341-6

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Об авторе

Дружинин Анатолий Матвеевич, 1935 г.р., кандидат технических наук, доцент Казанского научно-исследовательского университета имени А. Н. Туполева. Профессиональный технолог по авиационным, ракетным двигателям и двигателями внутреннего сгорания. Проблему повышения эффективности ДВС исследует более 30-ти лет, первое изобретение Поршневое уплотнение для ДВС (Авторское свидетельство, SU, №1388572), было получено в 1986г (всего изобретений больше 30-ти). Победитель республиканского конкурса «50 лучших инновационных идей Республики Татарстан в 2006г.

Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров

100% инновационных элементов ЦПГ

В книге приведен критический анализ научно-технической и учебной литературы, касающийся ЦПГ двигателей внутреннего сгорания и поршневых компрессоров. Автору, профессиональному технологу по авиационным и ракетным двигателям, впоследствии двигателям внутреннего сгорания, любителю – автомобилисту с большим стажем, понадобились десятилетия, чтобы докопаться до истины и предложить свои меры, которые делают двигатель «лучшим» [1].

Вполне обоснован подзаголовок книги «100% инновационных элементов ЦПГ», ибо весь комплект цилиндропоршневой группы, который иногда изготавливается отдельным предприятием (цилиндр, поршень, поршневые кольца) претерпел принципиальные инновационные изменения и нашел свое исполнение в интегральной конструкции цилиндропоршневой группы двигателя и компрессора.

Во-первых, необходимо было решить проблему уплотнения между поршнем и цилиндром и, связанные с этим огромные механические потери и обеспечить благоприятные условия теплопередачи от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру. С глубоким смыслом вынесена на обложку книги формула определения высоты поршневого кольца с учетом газодинамики h = (r12 – r22) / 2r2, она принципиально изменила теорию проектирования поршневых колец, явилась основанием для разработки принципиально новых конструкций ЦПГ, существенно повлиявших на форму и содержание двигателя и компрессора.

Во-вторых, следовало заменить неэффективные маслосъемные кольца на конструкции, исключающие нежелательную встречу моторного масла с высокотемпературным рабочим газом. В-третьих, в расчетах цилиндра двигателя необходимо было учесть термодинамические изменения формы и размеров цилиндра в процессе работы двигателя и предложить коническую форму рабочих поверхностей цилиндра и поршня. Кроме того, с целью улучшения термодинамических процессов и теплофизических процессов в камере сгорания, экономии топлива, в высшей степени актуализировалась проблема использования воды и водных растворов в ДВС, разработанная автором в 1991г.

С целью наилучшего восприятия описания влияния термодинамических, газодинамических и гидравлических процессов на работу элементов ЦПГ, в результате, которого появляются принципиально новые конструкции ЦПГ, имеющийся у автора материал изложен в книге в форме учебного пособия.

Автор надеется, что книга будет полезна инженерно-техническим работникам моторостроительных предприятий, специалистам проектно-технологических институтов и студентам высших учебных заведений и техникумов, а также слушателям факультетов и институтов повышения квалификации.

Предисловие

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.

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 научно-технических 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.

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.

Известно, что наиболее ответственной частью двигателя является цилиндропоршневая группа (ЦПГ). Поэтому автор предложил разработчикам определенные изменения в ЦПГ поршневых машин, в основе которых лежат патенты на изобретения, подтверждающие новое в проектировании ее элементов, отсутствие подобного в мировой практике и защищающие приоритет автора.

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 класс 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.