Поршневые кольца. Устройство, виды, функции поршневых колец

Поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания должны отвечать всем требованиям, предъявляемым к динамическому линейному уплотнению. Они должны не только выдерживать термические и химические нагрузки, но и выполнять ряд функций. Кроме того, они должны обладать следующими свойствами:

Функции поршневых колец

• Предотвращение (за счет уплотнения) прорыва газов из камеры сгорания в картер, во избежание снижения давления газов и, следовательно, мощности двигателя
• Уплотнение, т. е. предотвращение попадания смазывающего масла из кривошипной камеры (картера) в камеру сгорания
• Обеспечение наличия на стенке цилиндра масляной пленки точно заданной толщины
• Распределение смазочного масла по стенке цилиндра
• Стабилизация движения поршня (качание поршня) – особенно на холодном двигателе и большом зазоре между поршнем и цилиндром
• Передача тепла (отвод тепла) от поршня к цилиндру

Свойства поршневых колец

• Низкое трение во избежание существенных потерь мощности двигателя
• Высокая износостойкость и сопротивление термомеханической усталости, химическим нагрузкам и горячей коррозии
• Поршневое кольцо не должно вызывать чрезмерный износ цилиндра, иначе значительно сокращается срок службы двигателя.
• Длительный срок службы, эксплуатационная надежность и эффективность затрат в течение всего времени эксплуатации

2. Основные функции поршневых колец

2.1. Уплотнение от прорыва отработанных газов

Основной функцией компрессионных поршневых колец является предотвращение прорыва газов между поршнем и стенками цилиндра в картер. В большинстве двигателей это достигается за счет использования двух компрессионных поршневых колец, образующих лабиринт для газов.

В силу конструктивных особенностей, поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания не обеспечивают 100%-ого уплотнения, поэтому в картер всегда проникает небольшое количество газов. Это нормальное явление, полностью исключить прорыв газов невозможно в связи с особенностями конструкции колец.

Однако в любом случае необходимо избежать чрезмерного прорыва горячих отработанных газов между поршнем и стенкой цилиндра. Иначе это повлекло бы за собой снижение мощности, повышенный нагрев компонентов и прекращение смазывания. Всё это отрицательно сказалось бы на сроке службы и работе двигателя. Различные уплотняющие и прочие функции колец, а также возникающий прорыв газов будут подробнее рассмотрены ниже.

Уплотнение от прорыва отработанных газов.

2.2. Съем и распределение масла

Поршневые кольца не только обеспечивают герметичность между камерой сгорания и полостью картера, но и регулируют толщину масляной пленки. Кольца равномерно распределяют масло по стенке цилиндра. Съем избыточного количества масла осуществляется в основном маслосъемным поршневым кольцом (3-е кольцо), а также комбинированным компрессионным/скребковым кольцом (2-е кольцо).

Съем и распределение масла

2.3. Отвод тепла

Еще одна важная функция поршневых колец заключается в регулировании температуры поршня. Основная часть (около 70 %) тепла, поглощенного поршнем при сгорании топлива, отводится через поршневые кольца к цилиндру. Решающую роль при этом играют компрессионные поршневые кольца.

Отсутствие постоянного отвода тепла поршневыми кольцами привело бы к образованию на поршне задиров или даже к расплавлению поршня всего за несколько минут. В связи с этим очевидно, что поршневые кольца всегда должны иметь оптимальный контакт со стенкой цилиндра. Некруглости цилиндра или блокирование поршневых колец в кольцевых канавках (нагарообразование, грязь, деформация) с течением времени приводят к повреждениям поршня, вызванным перегревом из-за недостаточного отвода тепла.

Отвод тепла

3. Типы поршневых колец

3.1. Компрессионные поршневые кольца

Цилиндрические компрессионные поршневые кольца

Цилиндрические компрессионные поршневые кольца – это кольца, имеющие прямоугольное поперечное сечение. У таких колец боковые поверхности параллельны друг другу. Данный тип компрессионных поршневых колец является самым простым и наиболее распространенным. В настоящее время кольца этого типа используются преимущественно в качестве первого компрессионного кольца во всех бензиновых, а иногда и в дизельных двигателях легковых автомобилей. Наличие внутренних фасок и углов вызывает скручивание колец в установленном (напряженном) состоянии. Фаска или внутренний угол, расположенные по верхней кромке, вызывают «положительное скручивание кольца». Более подробное описание воздействия скручивания колец приводится в 6. «Скручивание колец».

Конические кольца – компрессионные поршневые кольца с маслосъемной функцией

ЗАМЕЧАНИЕ

Конические кольца используются на двигателях любых типов (бензиновых и дизельных, для легковых и грузовых автомобилей) и устанавливаются, как правило, во вторую кольцевую канавку.

Эти кольца выполняют двойную функцию. Они помогают компрессионному кольцу в противодействии прорыву газов, а маслосъемному кольцу – в регулировании толщины масляной пленки.

Рабочая поверхность конических колец (Рис. 2) имеет коническую форму. В зависимости от исполнения, угловое отклонение рабочей поверхности в сравнении с кольцом прямоугольного сечения составляет от 45 до 60 угловых минут. Благодаря такой форме новое коническое кольцо контактирует с поверхностью цилиндра только по нижней кромке. По этой причине в данной области возникает высокое механическое давление на поверхность и происходит желаемый съем материала. В результате этого запланированного износа, возникающего в период приработки, уже после непродолжительной эксплуатации образуется идеально закругленная кромка, которая обеспечивает оптимальное уплотнение. За период эксплуатации в несколько сотен тысяч км pабочая поверхность кольца теряет коническую форму, и коническое кольцо начинает выполнять функцию кольца прямоугольного сечения. Обладая теперь свойствами кольца прямоугольного сечения, бывшее коническое кольцо по-прежнему обеспечивает надежное уплотнение. По причине того, что газы оказывают давление на кольцо также спереди (из-за проникновения газов в зазор между цилиндром и рабочей поверхностью поршневого кольца), усиление действия давления газов несколько снижается. За счет этого во время приработки кольца незначительно уменьшаются давление прижима и степень износа.

Конические кольца выполняют не только функцию компрессионных поршневых колец, но и обладают хорошими маслосъемными свойствами. Этому способствует смещенная внутрь верхняя кромка кольца. При движении поршня вверх, от нижней к верхней мертвой точке, кольцо скользит по масляной пленке. Под действием гидродинамических сил (образование масляного клина) кольцо слегка отходит от поверхности цилиндра. При движении поршня в обратном направлении кромка кольца проникает глубже в масляную пленку и таким образом снимает слой масла, отводя его в сторону картера. На бензиновых двигателях конические кольца устанавливаются также в первую кольцевую канавку. Фаска или внутренний угол, относительно нижней кромки, вызывают отрицательное скручивание кольца (смотри 6. «Скручивание колец»).

Давление газов на коническое кольцо

Скребковые кольца

У скребкового кольца, обеспечивающего как уплотнение от прорыва газов, так и съем масла, нижняя кромка рабочей поверхности имеет прямоугольную или скругленную проточку. В этой проточке скапливается определенное количество масла, которое затем стекает обратно в масляный поддон.

Раньше скребковые кольца имели прямоугольное сечение и устанавливались в качестве второго компрессионного поршневого кольца на многих моделях двигателей.

В настоящее время, вместо скребковых колец прямоугольного сечения используют преимущественно конические скребковые кольца. Скребковые кольца устанавливают также на поршнях для компрессоров пневматических тормозных систем, главным образом в качестве первого компрессионного поршневого кольца.

Коническое скребковое кольцо является усовершенствованным типом скребкового кольца прямоугольного сечения. За счет конической pабочей поверхности улучшается процесс съема масла. В случае использования поршневых компрессоров, конические скребковые кольца устанавливают не только во вторую, но и в первую кольцевую канавку.

У некоторых конических скребковых колец скругленная проточка не доходит до стыкового конца, благодаря чему улучшается функция уплотнения от прорыва газов. Тем самым, по сравнению с традиционными коническими скребковыми кольцами, такие кольца обеспечивают уменьшение прорыва газов в картер (см. также 6. «Тепловой зазор»).

Кольца трапециевидного сечения

У колец симметричного трапециевидного сечения обе боковые поверхности расположены не параллельно друг другу, а под наклоном, в результате чего поперечное сечение приобретает форму трапеции. Угол наклона составляет, как правило, 6 °, 15 ° или 20 °.

У колец несимметричного трапециевидного сечения нижняя боковая поверхность не имеет угла наклона и расположена перпендикулярно рабочей поверхности.

Кольца трапециевидного или несимметричного трапециевидного сечения используются для предотвращения нагарообразования и, следовательно, заклинивания колец в кольцевых канавках. При наличии очень высокой температуры внутри поршневой канавки велика вероятность образования нагара из-за воздействия этой температуры на имеющееся в канавке масло. При этом у дизельных двигателей возможно образование не только масляного нагара, но и сажи. Наличие сажи ускоряет скопление отложений в кольцевой канавке. Если бы в результате накопления отложений произошло заклинивание поршневых колец в канавках, то горячие отработанные газы беспрепятственно проникли бы через зазор между поршнем и стенкой цилиндра и вызвали бы перегрев поршня. Это привело бы к расплавлению головки поршня и его серьезным повреждениям.

По причине действия повышенных температур и образования сажи, кольца трапециевидного сечения устанавливаются преимущественно на дизельных двигателях, в самой верхней кольцевой канавке, а иногда и во второй кольцевой канавке.

ВНИМАНИЕ!

Кольца (симметричного и несимметричного) трапециевидного сечения нельзя устанавливать в обычные прямоугольные канавки. Кольцевые канавки поршня, в которые необходимо установить кольца трапециевидного сечения, всегда должны иметь соответствующую форму.

Функция очистки: благодаря особенностям формы колец трапециевидного сечения и их движению в кольцевой канавке за счет качания поршня происходит механическое измельчение нагара.

3.2. Маслосъемные поршневые кольца

Назначение

Конструкция маслосъемных поршневых колец позволяет распределять масло по стенке цилиндра и снимать с нее избыточное масло. Для улучшения функций уплотнения и съема масла, маслосъемные поршневые кольца оснащаются, как правило, двумя маслосъемными рабочими поясками. Каждый их этих рабочих поясков снимает со стенки цилиндра избыточное масло. Таким образом, как у нижней кромки маслосъемного поршневого кольца, так и между рабочими поясками скапливается определенное количество масла, которое необходимо удалить из области кольца. Поскольку при движении поршня он качается внутри цилиндра, функция уплотнения выполняется тем лучше, чем ближе друг к другу расположены рабочие пояски кольца.

Прежде всего, масло, снимаемое верхним рабочим пояском и скапливающееся между обоими поясками, подлежит удалению из этой зоны, так как иначе оно может проникать в область над маслосъемным поршневым кольцом, что потребует его съема вторым компрессионным кольцом. Для этой цели коробчатые маслосъемные кольца и маслосъемные кольца из 2-х частей имеют между рабочими поясками продольные прорези или отверстия. Через эти отверстия в самом кольце масло, снимаемое верхним рабочим пояском, выводится на обратную сторону кольца.

ЗАМЕЧАНИЕ

У двухтактных двигателей поршень смазывается маслом, содержащимся в топливной смеси. Поэтому из конструктивных соображений можно отказаться от использования маслосъемного поршневого кольца.

Оттуда дальнейший отвод снятого масла может осуществляться разными способами. Один из этих способов предусматривает отвод масла через отверстия в поршневой канавке к внутренней поверхности поршня, чтобы оно могло стекать обратно в масляный поддон. При наличии так называемых поверхностных пазов (cover slots) (Рис. 1) снятое масло выводится обратно на наружную поверхность поршня через расположенную вокруг бобышки выемку. Также используется комбинированный вариант, когда масло отводится сразу обоими способами.

Оба этих способа отвода масла надежно зарекомендовали себя и успешно используются, в зависимости от формы поршня, процесса сгорания топлива или цели применения. Теоретически сложно дать общий ответ, какой из этих способов лучше. По этой причине, выбор оптимального способа для конкретного поршня зависит от результатов различных практических испытаний.

Коробчатые маслосъемные поршневые кольца

В современном моторостроении коробчатые маслосъемные поршневые кольца больше не используются. Их упругость обеспечивается только за счет собственного поперечного сечения. Поэтому такие кольца относительно более жесткие, имеют меньшую подвижность и менее плотно прилегают к стенке цилиндра, вследствие чего их уплотняющая способность хуже, чем у маслосъемных поршневых колец, состоящих из нескольких частей.

Коробчатые маслосъемные кольца с прорезями изготавливают из серого чугуна.

Типы конструкции

Это самое простое исполнение с прямоугольными маслосъемными рабочими поясками и прорезями для отвода масла.

В отличие от маслосъемного кольца с прорезями, у этого кольца с кромок рабочих поясков сняты фаски, благодаря чему улучшается давление на поверхность.

У рабочих поясков этого кольца фаски сняты только с кромок в направлении камеры сгорания. Это позволяет улучшить процесс съема масла при движении поршня вниз.

Такие маслосъемные поршневые кольца состоят собственно из самого кольца (кольцевой детали) и расположенной за ним спиральной пружины. Поперечное сечение кольца намного меньше, чем у коробчатого маслосъемного поршневого кольца. Это придает кольцу относительную гибкость и позволяет ему оптимально прилегать к стенке цилиндра. Канавка для пружинного расширителя, расположенная на внутренней стороне кольца, имеет либо полукруглую, либо V-образную форму.

Упругость как таковая обеспечивается за счет спиральной нажимной пружины из жаропрочной пружинной стали. Она расположена внутри кольца и прижимает его к стенке цилиндра. Во время эксплуатации пружина плотно прилегает к обратной стороне кольца, образуя с ним единое целое. Хотя пружина в кольце не прокручивается, всё кольцо в целом – так же, как и другие кольца – свободно вращается в кольцевой канавке. У состоящих из 2-х частей маслосъемных поршневых колец радиальное давление всегда распределяется симметрично, так как давление прижима имеет одинаковую величину по всей окружности спиральной пружины.

Шлифование пружин по наружному диаметру, более плотное расположение витков в области замка поршневого кольца и защита тефлоновой оболочкой позволяют увеличить срок службы пружин. За счет этих мер уменьшается износ от трения между кольцом и спиральной пружиной. Собственно кольца маслосъемных колец из двух частей изготавливают из серого чугуна или стали.

Маслосъемное коробчатое кольцо с прорезями и пружинным расширителем

Самый простой тип конструкции, обеспечивающий более эффективное уплотнение в сравнении с обычным коробчатым маслосъемным кольцом с прорезями.

Маслосъемное коробчатое кольцо с параллельными фасками и пружинным расширителем

Кольцо имеет такую же форму рабочей поверхности, как и у обычного коробчатого маслосъемного кольца с параллельными фасками, однако обеспечивает более эффективное уплотнение.

Кольцо имеет такую же форму рабочей поверхности, как и у обычного коробчатого маслосъемного кольца со сходящимися фасками, однако обеспечивает более эффективное уплотнение. Маслосъемные поршневые кольца этого типа находят самое широкое применение. Их можно использовать на любых моделях двигателей.

Это кольцо имеет такие же свойства, как у традиционного коробчатого маслосъемного кольца со сходящимися фасками и пружинным расширителем, однако отличается повышенной износостойкостью и, следовательно, более длительным сроком службы. Поэтому оно оптимально подходит для дизельных двигателей.

Это кольцо изготавливается из профильной листовой стали и со всех сторон покрыто износозащитным слоем. Оно отличается очень высокой гибкостью и ломается реже, чем указанные выше кольца из серого чугуна. Отвод масла из полости между рабочими поясками осуществляется через круглые штампованные отверстия. Маслосъемные поршневые кольца этого типа используются преимущественно на дизельных двигателях.

Маслосъемные поршневые кольца из 3-х частей

Данные маслосъемные кольца состоят из 3-х частей: двух тонких стальных пластинок (колец) и распорной пружинырасширителя, прижимающей кольца к стенкам цилиндра. Маслосъемные поршневые кольца со стальными пластинками либо имеют хромированные рабочие поверхности, либо со всех сторон обработаны азотированием.

Последние отличаются повышенной износостойкостью как в области pабочей поверхности, так и в месте контакта пружины-расширителя и пластинок (вторичный износ).

Состоящие из 3-х частей маслосъемные поршневые кольца оптимально прилегают к стенкам цилиндров и находят применение преимущественно в бензиновых двигателях легковых автомобилей.

3.3. Типичная комплектация поршня кольцами

Комплексные требования, предъявляемые к поршневым кольцам, не могут быть выполнены при использовании только одного поршневого кольца. Это можно осуществить только с помощью нескольких поршневых колецразличных типов. В современном автомобильном моторостроении устоявшимся решением является комбинация из компрессионного поршневого кольца, комбинированного компрессионного и маслосъемного поршневого кольца и отдельного маслосъемного поршневого кольца. Поршни с более чем тремя кольцами встречаются сегодня сравнительно редко.

1. Компрессионное поршневое кольцо
2. Комбинированное компрессионное и маслосъемное поршневое кольцо

3.4. Наиболее подходящее поршневое кольцо

Не существует ни лучшего поршневого кольца, ни лучшей комплектации поршня кольцами. Каждое поршневое кольцо является «специалистом» в своей области. В конечном счете, любое исполнение и сочетание колец представляют собой компромисс для удовлетворения абсолютно разным и отчасти противоположным требованиям. Изменение в отношении хотя бы одного поршневого кольца может нарушить баланс работы всего комплекта колец.

Окончательный подбор поршневых колец для двигателя новой конструкции всегда осуществляется как на основании результатов интенсивных тестов на испытательном стенде, так и с учетом нормальных условий эксплуатации.

Приведенная ниже таблица не претендует на полноту, однако показывает в целом, как различные характеристики колец отражаются на их различных функциях.

4. Поршневое кольцо: термины

1. Зазор в замке ненапряженного поршневого кольца
2. Стыковые концы
3. Спинка кольца (напротив стыковых концов)
4. Рабочая поверхность кольца
5. Боковая поверхность кольца
6. Внутренняя поверхность кольца
7. Тепловой зазор (зазор в холодном состоянии)
8. Диаметр цилиндра
9. Радиальная толщина стенки
10. Осевой зазор
11. Высота поршневого кольца
12. Диаметр цилиндра
13. Внутренний диаметр канавки
14. Высота канавки
15. Радиальный зазор

5. Конструкция и форма поршневых колец

5.1. Материалы для изготовления поршневых колец

Материалы для изготовления поршневых колец подбираются с учетом антифрикционных свойств и условий, при которых поршневые кольца должны работать. Высокая эластичность и коррозионная стойкость важны так же, как и высокая устойчивость к повреждениям при экстремальных условиях эксплуатации. Серый чугун до сих пор является основным материалом, из которого изготавливаются поршневые кольца. С трибологической точки зрения, серый чугун и содержащиеся в нем графитовые включения обеспечивают оптимальные свойства при работе в аварийном режиме (сухое смазывание графитом).

Эти свойства важны особенно тогда, когда прекращается смазывание моторным маслом и масляная пленка уже разрушена. Кроме того, графитовые жилки в структуре кольца служат в качестве масляных резервуаров и противодействуют разрушению масляной пленки при неблагоприятных условиях эксплуатации.

Используемые материалы на основе серого чугуна

• Чугун с пластинчатой структурой графита (чугун с пластинчатым графитом), легированный и нелегированный
• Чугун с глобулярной структурой графита (чугун с шаровидным графитом), легированный и нелегированный

В качестве стальных материалов используются хромистая сталь с мартенситной микроструктурой и пружинная сталь. Для повышения износостойкости поверхность материалов подвергают упрочнению. Это осуществляется, как правило, путем азотирования.*

*В технической литературе под термином азотирование понимается процесс обогащения азотом (подачи азота) с целью упрочнения поверхности стали. Азотирование выполняется, как правило, при температуре от 500 до 520 °C; время обработки составляет от 1 до 100 часов. В результате диффузии азота на поверхности заготовки образуется очень твердый поверхностный связующий слой из нитрида железа. В зависимости от времени обработки, он может достигать толщины в 10–30 мкм. Наиболее распространенными методами являются азотирование в соляной ванне (например, коленчатых валов), газовое азотирование (поршневых колец) и плазменное азотирование.

5.2. Материалы для покрытия pабочей поверхности

С полным покрытием рабочей кромки

С покрытием центра рабочей кромки

С частичным покрытием рабочей кромки

На рабочие пояски или pабочие поверхности поршневых колец можно нанести покрытия, улучшающие трибологические свойства. При этом первоочередное значение отводится повышению износостойкости, а также обеспечению смазывания и уплотнения в экстремальных условиях. Материал покрытия должен быть совместим как с материалами, из которых изготовлены поршневое кольцо и стенка цилиндра, так и со смазывающей средой. Нанесение покрытий на рабочие поверхности поршневых колец находит широкое применение. На поршневые кольца серийных двигателей часто наносят покрытия из хрома, молибдена и феррооксида.

Трибология (греч.: учение о трении) изучает порядок взаимодействия поверхностей тел, движущихся относительно друг друга. Эта наука занимается описанием трения, износа и смазывания.

5.2.1. Молибденовые покрытия

Во избежание следов прижога рабочая поверхность компрессионных (не маслосъемных) поршневых колец может быть наполнена молибденом или полностью им покрыта. Для этого используются методы как газопламенного, так и плазменного напыления. Благодаря высокой температуре плавления молибдена (2620 °C) обеспечивается чрезвычайно высокая термостойкость. Кроме того, технология нанесения покрытий приводит к образованию пористой структуры материала. В микропустотах, образующихся при этом на рабочей поверхности кольца (Рис. 2), может скапливаться моторное масло. За счет этого обеспечивается наличие моторного масла для смазывания рабочей поверхности кольца даже при экстремальных режимах эксплуатации.

Свойства

• Высокая термостойкость
• Оптимальные свойства при работе в аварийном режиме
• Мягче хрома
• Износостойкость ниже, чем у колец с хромовым покрытием (повышенная восприимчивость к загрязнениям)
• Повышенная восприимчивость к вибрациям поршневого кольца (из-за этого возможно крошение молибдена при экстремальных нагрузках, например, при детонационном сгорании и прочих нарушениях режима сгорания)

5.2.2. Гальванические покрытия

Хромовые покрытия

Большинство хромовых покрытий наносится гальваническим способом.

Свойства

• Длительный срок службы (износостойкость)
• Твердая, устойчивая поверхность
• Снижение износа цилиндров (примерно на 50 % в сравнении с поршневыми кольцами без покрытия)
• Свойства при работе в аварийном режиме хуже, чем у молибденовых покрытий
• По причине высокой износостойкости приработка длится дольше, чем у неармированных поршневых колец, маслосъемных поршневых колец со стальными пластинками или маслосъемных поршневых колец U-Flex.

Покрытия CK (Хромовая керамика) И DC (Diamond coated)

Данные покрытия состоят из нанесенного гальваническим способом слоя хрома с сеткой микротрещин, в которые прочно внедрены твердые материалы. В качестве заполнителя используются керамика (CK) или микроалмазы (DC).

Свойства

• Минимальные потери на трение благодаря чрезвычайно гладкой поверхности
• Максимальная износостойкость и длительный срок службы за счет заполнения твердыми материалами
• Высокая устойчивость к появлению следов прижога
• Незначительный самоизнос слоя, нанесенного на поршневое кольцо, при сохранении незначительного износа цилиндра

Покрытия PVD

PVD, сокращенно от «Physical Vapour Deposition» (физическое осаждение из парообразной фазы), – это вакуумная технология нанесения покрытий, при которой слои из высокопрочных материалов (CrN, нитрид хрома (III)) напрямую напыляются на поверхность поршневых колец.

Свойства

• Благодаря чрезвычайно гладкой поверхности, потери на трение сводятся к минимуму.
• За счет очень тонкой и плотной структуры слоя высокой твердости обеспечивается очень высокая износостойкость.
• Ввиду высокой износостойкости контур кольца сохраняется на протяжении более длительного времени эксплуатации. Это позволяет, к примеру, дополнительно снизить упругость маслосъемного поршневого кольца с покрытием PVD, что дает значительные преимущества в отношении потерь на трение.

5.3. Отслаивание покрытий

В некоторых случаях происходит отслаивание напыленных на рабочие поверхности слоев молибдена и феррооксида. Причиной этого являются, главным образом, ошибки при монтаже поршневых колец (слишком сильное растягивание при установке на поршень или деформирование колец, как показано на Рис. 1). При неправильной установке кольца на поршень покрытие отслаивается только в области спинки кольца (Рис. 2). Отслаивание покрытия на стыковых концах указывает на вибрацию поршневого кольца в результате нарушения режима сгорания (например, при детонационном сгорании).

Рис. 1.

Рис. 2.

5.4. Обработка рабочих поверхностей (обтачивание, притирка, шлифование)

Рабочие поверхности неармированных поршневых колец из чугуна обрабатывают, как правило, только путем тонкого обтачивания. По причине быстрой приработки неармированных колец, их рабочие поверхности не подвергают притирке или шлифованию. Снабженные покрытием или закаленные рабочие поверхности колец либо шлифуют, либо притирают. Это связано с их высокой износостойкостью, из-за которой потребовалось бы слишком много времени на то, чтобы рабочие поверхности колец приобрели скругленную форму и начали обеспечивать надлежащее уплотнение. Возможными последствиями стали бы потеря мощности и высокий расход масла.

5.5. Выпуклая форма рабочей поверхности

Еще одна причина обработки притиркой или шлифованием связана с формой pабочей поверхности. У (неармированных) поршневых колец прямоугольного сечения pабочая поверхность спустя некоторое время приобретает выпуклую форму (Рис. 1), что связано с их возвратнопоступательным движением и движением в канавках (скручивание колец). Это положительно отражается на создании масляной пленки и сроке службы колец.

Рис. 1.

Рабочим поверхностям поршневых колец с покрытием придают слегка выпуклую форму еще в процессе изготовления. Благодаря этому не требуется их дополнительная приработка до желаемой формы. Это предотвращает усиленный износ в период приработки и, следовательно, повышенный расход масла. По причине точечного прилегания рабочей поверхности кольца достигается повышенное специфическое давление прижима к стенке цилиндра, благодаря чему улучшается уплотнение от прорыва газов и поступления масла. Кроме того, снижается риск образования кромочного контакта из-за еще пока острых кромок колец. Кромки колец с хромовым покрытием всегда сглаживают, чтобы предотвратить продавливание масляной пленки во время приработки. При неоптимальной конструкции кольца, твердое хромовое покрытие могло бы привести к значительному износу и повреждениям стенки цилиндра, выполненного из гораздо более мягкого материала.

Рабочие поверхности колец симметричной выпуклой формы (Рис. 2), образовавшейся в результате приработки или выполненной еще на стадии изготовления, обладают оптимальными антифрикционными свойствами и создают масляную пленку заданной толщины. Благодаря симметричной выпуклости, толщина масляной пленки при возвратно-поступательном движении поршня остается одинаковой. Силы, действующие на кольцо и обеспечивающие его скольжение по масляной пленке, одинаковы при движении поршня в обоих направлениях.

Рис. 2.

Если выпуклость создается еще в процессе изготовления, то существует возможность придания ей асимметричной формы для улучшения контроля расхода масла. В этом случае наивысшая точка выпуклости будет располагаться не по середине pабочей поверхности, а немного ниже (Рис. 3).

Рис. 3.

Асимметричное разделение pабочей поверхности позволяет формировать разные поверхности скольжения кольца при его возвратно-поступательном движении. При движении вверх кольцо, из-за увеличенной площади рабочей поверхности в верхней части, сильнее выталкивается маслом («кольцо всплывает»), в результате чего со стенки цилиндра снимается меньше масла. При движении вниз уменьшенная площадь в нижней части способствует тому, что кольцо меньше «всплывает» и, соответственно, снимает больше масла (Рис. 4 и 5). Таким образом, кольца с рабочими поверхностями асимметричной выпуклой формы позволяют также контролировать расход масла, особенно при неблагоприятных условиях эксплуатации в дизельных двигателях. Такие условия возникают, например, в результате продолжительной работы на режиме холостого хода после работы на режиме полной нагрузки, когда при последующем нажатии на педаль акселератора часто происходит выброс масла в выпускную систему и образование синего дыма.

Рис. 4.

Рис. 5.

5.6. Обработка поверхностей

В зависимости от исполнения, поверхности поршневых колец могут либо остаться необработанными, либо быть подвергнуты фосфатированию или омеднению. Это влияет только на антикоррозионные свойства колец. Новые необработанные кольца хотя и имеют красивый блеск, но абсолютно не защищены от образования ржавчины. Кольца, подвергнутые фосфатированию, имеют черную матовую поверхность и защиту от образования ржавчины за счет нанесенного на них слоя фосфата.

Омедненные кольца тоже хорошо защищены от ржавчины и имеют некоторую защиту от образования следов прижога в период приработки. Медь обладает определенным сухим смазочным эффектом, улучшая свойства при работе в аварийном режиме во время периода приработки.

Обработка поверхностей колец не имеет, однако, никакого влияния на их функциональность. Поэтому цвет поршневого кольца не является показателем его качества.

6. Назначение и свойства

6.1. Тангенциальное напряжение

Диаметр поршневых колец в свободном состоянии превышает диаметр установленных в цилиндр колец. Это необходимо для того, чтобы после установки кольца оказывали требуемое давление прижима по всей окружности цилиндра.

На практике сложно измерить давление прижима в цилиндре. Поэтому диаметральная сила, прижимающая кольцо к стенке цилиндра, определяется с помощью формулы, исходя из тангенциальной силы. Под тангенциальной силой понимают силу, необходимую для сжатия стыковых концов до образования теплового зазора

(Рис. 1). Тангенциальную силу измеряют с помощью гибкой стальной ленты, которую обматывают вокруг кольца. Эту ленту затягивают до тех пор, пока не достигается заданный тепловой зазор поршневого кольца. После этого значение тангенциальной силы считывают по динамометру. Если речь идет о маслосъемных поршневых кольцах, то измерение всегда выполняют с установленной пружиной-расширителем. Чтобы обеспечить точность измерений, измерительный прибор подвергают вибрации, что позволяет пружине-расширителю принять свое естественное положение за кольцом. Если измерения проводятся на состоящих из 3-х частей кольцах с пружиной и стальными пластинками, то в связи с их конструкцией требуется дополнительная осевая фиксация всего кольца, так как иначе стальные пластинки сместятся в сторону и измерение станет невозможным. На Рис. 1 схематически показан процесс измерения тангенциальной силы.

ЗАМЕЧАНИЕ

В результате радиального износа, вызванного полусухим трением или длительной эксплуатацией, поршневые кольца утрачивают тангенциальное напряжение. Поэтому измерять это напряжение имеет смысл только у новых колец с еще полным поперечным сечением.

Рис. 1.

6.2. Распределение радиального давления

Радиальное давление зависит от модуля эластичности материала, зазора в замке ненапряженного поршневого кольца и, не в последнюю очередь, от поперечного сечения кольца. Различают два основных вида распределения радиального давления. Самым простым видом является симметричное распределение радиального давления (Рис. 2). Оно встречается, прежде всего, у составных маслосъемных поршневых колец, состоящих из собственно упругого кольца или стальных пластинок с относительно низким внутренним напряжением. Установленная внутри пружина-расширитель прижимает кольцо или, соответственно, стальные пластинки к стенке цилиндра. В результате того, что пружина-расширитель в сжатом состоянии (после установки) прижимается к обратной стороне кольца или стальных пластинок, радиальное давление распределяется симметрично.

Рис. 2.

У компрессионных поршневых колец четырехтактных ДВС используется не симметричное распределение радиального давления, а грушевидное (позитивно-овальное), которое препятствует вибрации стыковых концов колец на высоких оборотах (Рис. 3). Вибрация всегда начинается на стыковых концах и передается от них к кольцу по всей его окружности. Под действием увеличенного усилия прижима, стыковые концы поршневого кольца сильнее прижимаются к стенке цилиндра, благодаря чему вибрация кольца эффективно снижается или прекращается.

Рис. 3.

6.3. Увеличение давления прижима под действием давления сгорания

Гораздо более важным, чем внутреннее напряжение колец, является увеличение давления прижима, образующееся в результате сгорания смеси во время работы двигателя.

До 90 % общего усилия прижима первого компрессионного поршневого кольца создается за счет давления сгорания во время такта рабочего хода. Как показано на Рис. 1, компрессионное поршневое кольцо подвергается действию этого давления с задней стороны и сильнее прижимается к стенке цилиндра. Увеличенное усилие прижима воздействует главным образом на первое компрессионное кольцо и в меньшей степени на второе компрессионное кольцо.

Давление газов на второе поршневое кольцо может регулироваться за счет изменения теплового зазора первого компрессионного поршневого кольца.

Рис. 1. Увеличение давления прижима

При небольшом увеличении этого зазора, давление сгорания, действующее на обратную сторону второго компрессионного поршневого кольца, повышается, что также приводит к усилению прижима. При увеличении количества компрессионных поршневых колец, дальнейшего увеличения давления прижима под действием давления образующихся при сгорании газов, начиная со второго кольца, не происходит.

Маслосъемные поршневые кольца работают только за счет своего внутреннего напряжения. Ввиду особой формы этих колец, давление газов не вызывает увеличения усилия прижима. Кроме того, распределение силы на поршневом кольце зависит от формы рабочей поверхности поршневого кольца. У конических колец и шлифованных компрессионных поршневых колец выпуклой формы давление газов действует также в зазоре между рабочей поверхностью поршневого кольца и стенкой цилиндра, противодействуя давлению газов за поршневым кольцом (см. главу 1.3.1 «Компрессионные поршневые кольца»).

Осевое усилие, прижимающее компрессионное поршневое кольцо к нижней боковой поверхности канавки, возникает только за счет давления газов. Внутреннее напряжение колец в осевом направлении не действует.

ЗАМЕЧАНИЕ

Во время работы на режиме холостого хода, из-за снижения степени наполнения цилиндров наблюдается уменьшение усилия прижима колец. Это особенно заметно у дизельных двигателей. Двигатели, которые долго работают на холостом ходу, имеют повышенный расход масла, так как из-за снижения воздействия давления газов ухудшается процесс съема масла. Часто после длительной работы на режиме холостого хода и последующего нажатия на педаль акселератора, двигатели выбрасывают из выхлопной трубы клубы синего дыма. Это связано со скоплением масла в цилиндрах и в выпускной системе и его сгоранием после нажатия на педаль акселератора.

6.4. Специфическое давление прижима

Рис. 2 и Рис. 3. Упругость кольца и специфическое усилие прижима

Специфическое давление прижима зависит от упругости кольца и площади его прилегания к стенке цилиндра.

Удвоение значения специфического усилия прижима возможно двумя способами: либо за счет удвоения значения упругости кольца, либо путем уменьшения вдвое площади прилегания кольца в цилиндре. На Рис. 2 и Рис. 3 видно, что результирующее усилие (специфическое усилие прижима = усилие × площадь), действующее на стенку цилиндра, всегда остается неизменным, несмотря на то, что упругость кольца увеличивают или, соответственно, уменьшают вдвое.

ВНИМАНИЕ!

При оценке давления прижима и уплотняющих свойств недостаточно учитывать только упругость кольца. Сравнивая поршневые кольца, всегда необходимо обращать внимание также на площадь pабочей поверхности.

На новых двигателях всё чаще устанавливают более плоские кольца, чтобы уменьшить внутреннее трение в двигателе. Это возможно, однако, только за счет уменьшения эффективной площади контакта кольца со стенкой цилиндра. При уменьшенной вдвое высоте кольца снижаются также вдвое упругость поршневого кольца и, следовательно, трение.

Поскольку оставшееся усилие действует на уменьшенную площадь, специфическое давление прижима на стенку цилиндра (усилие × площадь) при уменьшенных вдвое площади и упругости остается таким же, как и при увеличенных вдвое площади и упругости.

6.5. Тепловой зазор

Тепловой зазор (Рис. 1) – это важная особенность конструкции, необходимая для обеспечения надлежащей работы поршневых колец. Его можно сравнить с зазором в приводе впускных и выпускных клапанов. При нагреве компонентов из-за естественного теплового расширения происходит увеличение их длины или, соответственно, диаметра. В зависимости от разности рабочей температуры и температуры окружающей среды, требуется определенный зазор в холодном состоянии, чтобы обеспечить надлежащую работу при рабочей температуре.

Рис. 1. Тепловой зазор в смонтированном состоянии

Основным условием для корректной работы поршневых колец является их свободное вращение в канавках.

Заклиненные в канавках поршневые кольца не обеспечивают ни уплотнения, ни отвода тепла. Тепловой зазор, который должен всё ещё присутствовать и при рабочей температуре, гарантирует, что окружность расширенного под действием тепла поршневого кольца всегда будет меньше окружности цилиндра. Если, в результате теплового расширения поршневого кольца, тепловой зазор полностью исчезнет, то его стыковые концы начнут давить друг на друга. При дальнейшем увеличении такого давления произойдет деформация поршневого кольца, вызванная увеличением длины его окружности в результате нагрева. Поскольку при тепловом расширении поршневое кольцо не имеет возможности раздвигаться в радиальном направлении, увеличение длины его окружности может быть скомпенсировано только в осевом направлении. На Рис. 2 показано, как деформируется кольцо при недостаточном пространстве в цилиндре.

Рис. 2.

Приведенные ниже вычисления на примере поршневого кольца диаметром 100 мм показывают, как изменяется длина его окружности при рабочей температуре.

В данном примере для обеспечения надлежащей работы кольца требуется тепловой зазор не менее 0,6 мм. Однако, в результате нагрева при рабочей температуре происходит не только расширение поршня и поршневых колец, но также увеличивается внутренний диаметр цилиндра.

По этой причине тепловой зазор может быть немного меньше рассчитанного. Тем не менее, под действием тепла диаметр цилиндра увеличивается в гораздо меньшей степени, чем поршневое кольцо. Это объясняется тем, что, во-первых, структура блока цилиндров жестче, чем у поршня. Во-вторых, поверхность цилиндра нагревается не так сильно, как поршень с поршневыми кольцами.

К тому же, внутренний диаметр цилиндра увеличивается неравномерно по всей рабочей поверхности цилиндра. Под действием теплоты сгорания верхняя часть цилиндра расширяется сильнее, чем нижняя. В результате неравномерного теплового расширения цилиндра происходит отклонение от цилиндрической формы, которая слегка принимает форму воронки (Рис. 3).

Рис. 3. Цилиндр в форме воронки при рабочей температуре

6.6. Уплотнительные поверхности поршневых колец

Поршневые кольца обеспечивают уплотнение не только со стороны pабочей поверхности, но и в области нижней боковой поверхности. Рабочая поверхность кольца отвечает за уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, а нижняя боковая поверхность канавки служит для уплотнения обратной стороны кольца. Поэтому требуется плотное прилегание кольца не только к стенке цилиндра, но и к нижней боковой поверхности канавки поршня (Рис. 1). При отсутствии плотного прилегания, масло или отработанные газы могут проникать через обратную сторону кольца.

Приведенные рисунки наглядно показывают, что в результате износа (из-за загрязнений или длительной эксплуатации) больше не обеспечивается уплотнение обратной стороны кольца и через поршневую канавку поступает большее количество газов и масла. Поэтому устанавливать новые кольца в изношенные канавки не имеет смысла. Неровности на боковой поверхности канавки препятствуют плотному прилеганию кольца, а увеличенная по высоте канавка позволяет кольцу перемещаться в больших пределах. Из-за увеличения зазора по высоте нарушается правильное расположение кольца в канавке, в результате чего кольцо гораздо легче отделяется от нижней боковой поверхности канавки, происходит откачка масла (Рис. 2 и Рис. 3), возникает вибрация кольца и ухудшается уплотнение. Кроме того, pабочая поверхность кольца приобретает чрезмерно выпуклую форму. Это приводит к увеличению толщины масляной пленки и повышению расхода масла.

Рис. 1. Уплотнение за счет нижней боковой поверхности канавки

Рис. 2.

Рис. 3.

6.7. Дросселирующая щель и прорыв газов

Поскольку конструкция используемых в моторостроении поршневых колец не обеспечивает 100%-ого уплотнения, возникает прорыв так называемых картерных газов.

Отработанные газы через мельчайшие зазоры, имеющиеся в области поршней и поршневых колец, проникают в картер двигателя. При этом количество проникающих газов определяется по размерам дросселирующего окна (x и y на Рис. 4), которые следуют из значений теплового зазора и половины рабочего зазора поршня. В действительности, дросселирующее окно, в отличие от изображенного на рисунке, ничтожно мало.

Рис. 4. Дросселирующее окно

В качестве ориентира, максимальное значение количества прорывающихся газов принимают равным 0,5 % от количества потребляемого двигателем воздуха. Количество газов, прорывающихся в картер во время работы двигателя, зависит от положения поршневых колец. Если тепловые зазоры первого и второго компрессионных поршневых колец располагаются в кольцевых канавках друг над другом, то прорыв газов слегка увеличивается.

В процессе работы двигателя такая ситуация повторяется регулярно, так как кольца совершают в канавках несколько оборотов в минуту. Если же тепловые зазоры колец оказываются на противоположных сторонах поршня, то из-за увеличения пути через уплотняющий лабиринт прорыв газов слегка уменьшается. Отработанные газы, проникающие в картер, отводятся системой вентиляции картера обратно во впускной тракт и далее попадают в камеры сгорания. Необходимость такого решения вызвана тем, что эти газы вредны для здоровья. В результате повторного сгорания в двигателе они обезвреживаются. Вентиляция также необходима для снижения давления в картере, иначе избыточное давление в его полости приводило бы к увеличению утечек масла через уплотнительные сальники коленчатого вала двигателя.

Повышенный прорыв газов связан либо со значительным износом поршневых колец в результате их длительной эксплуатации, либо с наличием трещин в днище поршня, через которые отработанные газы проникают в картер. Кроме того, нарушение геометрии цилиндров также приводит к увеличению прорыва газов в картер.

На стационарных двигателях или на двигателях, установленных на испытательном стенде, прорыв газов постоянно измеряется, контролируется и используется в качестве показателя, предупреждающего о возникновении повреждений в двигателе. Если измеренное количество прорывающихся газов превышает максимально допустимое значение, двигатель автоматически отключается. Это позволяет избежать серьезных и дорогостоящих повреждений двигателя.

Рис. 1.

Зазор кольца по высоте (Рис. 1) не является результатом износа кольцевой канавки. Это важный функциональный параметр, обеспечивающий правильное функционирование поршневых колец. Благодаря наличию зазора у кольца по высоте, возможно его свободное вращение в кольцевой канавке.

Величина зазора должна быть достаточной, чтобы кольцо не заклинивало при рабочей температуре и чтобы давление сгорания, действующее в канавке на обратную сторону кольца, было достаточным.

С другой стороны, зазор кольца по высоте не должен быть слишком большим, так как иначе снижается стабильность положения кольца в осевом направлении. В результате этого усиливается склонность кольца к вибрации и чрезмерному скручиванию. Это приводит к неблагоприятному износу поршневых колец (чрезмерная выпуклость рабочей поверхности) и повышенному расходу масла.

6.9. Скручивание колец

Наличие у поршневых колец внутренних углов или фасок приводит к скручиванию колец в напряженном, установленном состоянии. Кольца в ненапряженном состоянии (на поршне, не установленном в двигатель) не скручиваются (Рис. 2) и ровно лежат в кольцевых канавках.

Установленное в двигатель кольцо, т. е. кольцо в напряженном состоянии, отклоняется в более слабую сторону, где из-за наличия внутренней фаски или внутреннего угла материала меньше. Происходит скручивание кольца.

В зависимости от расположения фаски или угла – у нижней или верхней кромки – различают положительное или отрицательное скручивание кольца (Рис. 3 и 4).

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

Скручивание колец в условиях эксплуатации

Положительное и отрицательное скручивание колец проявляется тогда, когда на кольцо не действует давление сгорания (Рис. 5). Как только давление сгорания начинает действовать в кольцевой канавке, поршневое кольцо плотно прижимается к её нижней боковой поверхности, за счет чего улучшается контроль расхода масла (Рис. 6).

Кольца прямоугольного сечения (цилиндрические кольца) и конические кольца с положительным скручиванием всегда обладают хорошими маслосъемными свойствами. При возникновении трения о стенку цилиндра во время движения поршня вниз такие кольца всё-таки могут слегка отделиться от нижней боковой поверхности канавки, что приведет к проникновению в зазор масла и повышению его расхода.

Кольцо с отрицательным скручиванием обеспечивает уплотнение кольцевой канавки по нижней боковой поверхности снаружи и по верхней боковой поверхности внутри. За счет этого блокируется проникновение в канавку масла. Таким образом, кольца с отрицательным скручиванием способствуют снижению расхода масла, особенно на режимах частичной нагрузки и при наличии разрежения в камере сгорания (режим принудительного холостого хода). У конических колец с отрицательным скручиванием угол наклона pабочей поверхности примерно на 2° больше, чем у обычных конических колец. Это необходимо по причине того, что из-за отрицательного скручивания угол наклона частично уменьшается.

Рис. 5. Отсутствие давления сгорания

Рис. 6. Наличие давления сгорания

6.10. Способность поршневых колец прилегать к стенкам цилиндров

Под способностью поршневого кольца прилегать к стенкам цилиндра понимают его адаптацию к форме стенки цилиндра для обеспечения эффективного уплотнения. Эта способность зависит от эластичности коробчатого кольца (у маслосъемных поршневых колец из 2-х частей) или, соответственно, стальных пластинок (у маслосъемных поршневых колец из 3-х частей), а также от давления прижима кольца/кольцевой детали к стенке цилиндра.

При этом способность кольца прилегать к стенке цилиндра тем лучше, чем эластичнее кольцо/кольцевая деталь и чем выше давление прижима. Высокие кольца и кольца с большим поперечным сечением обладают высокой жесткостью, а также вызывают увеличение сил инерции во время работы по причине большей массы. Поэтому их способность прилегать к стенкам цилиндров хуже, чем у более плоских колец и колец с малым поперечным сечением и, следовательно, с уменьшенными силами инерции.

Оптимальную способность прилегать к стенкам цилиндров имеют маслосъемные поршневые кольца из 2-х или 3-х частей, поскольку они состоят из очень гибкой кольцевой детали или очень гибких стальных пластинок, без необходимости при этом обладать высокой упругостью.

Как уже было описано, усилие прижима маслосъемных поршневых колец, состоящих из 2-х или 3-х частей, обеспечивается за счет соответствующей пружины-расширителя. Кольцевая деталь и стальные пластинки обладают высокой гибкостью и легко адаптируются.

Хорошая способность поршневых колец прилегать к стенкам цилиндров особенно важна тогда, когда отверстия цилиндров теряют круглую форму. Это происходит в результате деформаций (тепловых и механических) или ошибок при ремонтной обработке и монтаже.

Рис. 1.

6.11. Движения поршневых колец

Вращение колец

Для того, чтобы обеспечивалась успешная приработка и дальнейшее оптимальное уплотнение, поршневые кольца должны свободно вращаться в кольцевых канавках. Вращение колец возникает как благодаря хонингованию (перекрестное шлифование), так и в результате качания поршней в верхней и нижней мертвых точках. При малых углах хонингования кольца вращаются медленнее, при больших углах частота их вращения увеличивается. Кроме того, вращение колец зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для общего представления: поршневые кольца совершают в среднем от 5 до 15 оборотов в минуту.

В двухтактных двигателях кольца заблокированы от вращения. Это позволяет избежать попадания стыковых концов в газовые каналы. Двухтактные двигатели используются преимущественно на двухколесных транспортных средствах, в садовых инструментах и т. п. В этом случае допускается, что блокировка вращения колец приводит к их неравномерному износу, возможному нагарообразованию в кольцевых канавках и сокращению срока службы. Данное исполнение в любом случае рассчитано на более короткий срок службы двигателя. К пробегу автомобилей с обычным четырехтактным двигателем предъявляются гораздо более высокие требования.

Смещение замков поршневых колец на 120° относительно друг друга во время монтажа служит только для улучшения запуска нового двигателя. В процессе последующей эксплуатации поршневые кольца могут занимать в кольцевых канавках любое положение, если их вращение не блокируется преднамеренно, путем конструктивных изменений (двухтактные двигатели).

Вращение вокруг оси

В идеальном случае кольца должны прилегать к нижним боковым поверхностям канавок. Это важно для обеспечения уплотняющей функции колец, так как они уплотняют не только в области рабочих поверхностей, но и в области нижних боковых поверхностей. Нижняя боковая поверхность канавки уплотняет от проникновения газов или масла на обратную сторону кольца. Рабочая поверхность поршневого кольца уплотняет его переднюю сторону, прилегающую к стенке цилиндра (см. главы, начиная с 1.6.6 «Уплотнительные поверхности поршневых колец»).

В результате возвратно-поступательного движения поршня и изменения направления его движения, на кольца воздействуют также силы инерции, из-за которых кольца отделяются от нижних боковых поверхностей канавок. Вызванное силами инерции отделение поршневых колец от нижних боковых поверхностей канавок сдерживается имеющейся внутри канавок масляной пленкой. Проблемы здесь возникают в основном тогда, когда кольцевые канавки и, следовательно, зазоры колец по высоте, увеличиваются в результате износа. Это приводит к отделению кольца от поверхности прилегания к поршню и к его вибрации, которая начинается на стыковых концах. В результате поршневое кольцо перестает уплотнять, и расход масла увеличивается.

Это происходит, прежде всего, во время такта впуска, когда при движении поршня вниз и образовании разрежения в камере сгорания, кольцо отделяется от дна канавки и масло, проникшее к задней стороне кольца, всасывается в камеру сгорания. В процессе выполнения трех остальных тактов кольца прижимаются к канавкам нижней боковой поверхностью под действием давления в камере сгорания.

Радиальное движение

В принципе, кольца совершают радиальные движения не сами по себе, а в результате движения поршня внутри цилиндра, при котором он соприкасается то с одной, то с другой стенкой цилиндра (перекладка поршня). Это происходит как в верхней, так и в нижней мертвых точках положения поршня. В результате кольца совершают в кольцевых канавках радиальное движение. Это приводит к измельчению образовавшегося слоя масляного нагара (особенно при использовании колец трапециевидного сечения), а также к вращению колец, обработанных перекрестным шлифованием.

Скручивание колец

В результате действия сил инерции, скручивания колец и наличия зазоров по высоте, кольца совершают движения, показанные стрелками на рисунках. Как описано в 5.5 «Выпуклая форма рабочей поверхности», рабочая поверхность поршневых колец приобретает со временем выпуклую форму.

Поршневые кольца формируют уплотнение между стенкой цилиндра и поршнем. Должны обеспечивать хорошее уплотнение по всей плоскости цилиндра в широком диапазоне температур. В четырех тактных двигателях чаще применяется три кольца, из них два компрессионных и нижнее маслосъемное.

• Компрессионные кольца обеспечивают надежное уплотнение между цилиндром и поршнем для герметизации камеры сгорания.
• Отвод тепла от поршня к стенкам цилиндра.
• Маслосъемные кольца удаляют излишки масла со стенок цилиндра предотвращая его попадания в камеру сгорания. Однако удаляют не полностью, а регулируют, оставляя необходимое количество масла для компрессионных колец.

Первое компрессионное кольцо

Предназначено исключительно для предотвращения прорыва расширяющихся газов в камере сгорания. Во время цикла «рабочий ход» нарастающее давление в камере сгорания прижимает первое компрессионное кольцо ко дну канавки поршня и сильнее прижимает к стенкам цилиндра, тем самым обеспечивая достаточную изоляцию камеры сгорания. Давление в канавке кольца сохраняется на последующих тактах не
успевая снизиться. Зазор между кольцом и канавкой составляет 0.04-0.08 мм

Защищает второе кольцо от высокой температуры сгорания и уменьшает нагрузку. Имеет наибольший теплоотвод от поршня к цилиндру, примерно 50-60% отводимого тепла от поршня к цилиндру приходится на компрессионные кольца. Некоторая часть газов прорывается, второе кольцо приступает к выполнению своих функций, об этом чуть позже.

Первое компрессионное кольцо изготавливается из высокосортного чугуна, способного выдерживать высокие температуры и нагрузку при этом имея не большой коэффициент теплового расширения. Во время работы двигателя температура кольца достигает 180-210°C, в верхней мертвой точке где практически нет смазки из-за трения, достигается еще большая температура. На внешней рабочей поверхности кольца часто присутствует специальное покрытие для снижения трения. Это может быть плазменная наплавка молибдена, металлокерамики, керамики. Чаще встречается хромовое покрытие, имеющее серый матовый цвет (наносится гальваническим метолом) и своеобразную пористую структуру, позволяющую задерживать масло для большего снижения трения. Остальные поверхности имеют черный цвет в результате фосфатирования. Покрытие обеспечивает антифрикционные и антикоррозийные свойства.

Компрессионные кольца производятся не совсем круглыми, а имеют сложную форму дуги в свободном состоянии и достаточно большой концевой зазор. Когда кольцо займет свое место в поршне и будет вставлено в цилиндр, оно будет обеспечивать равномерную прижимную силу в любой точке окружности.

Второе компрессионное кольцо

Работает в более благоприятных условиях и выполняет функцию дополнительного уплотнения так же из-за специальной формы помогает маслосъемному снять излишки масла, оставляя только масленую пленку на поверхности цилиндра. Средняя температура кольца 150 — 170 °C в режиме работы. Зазор между кольцом и канавкой поршня немного ниже чем у первого 0.03-0.06 мм . Разнообразие форм колец обуславливает выполнение определенных функций. Таких как распределение нагрузки в канавке, уменьшение трения юбки поршня методом аквопланирования по маслу, удаление излишек масла.

Фаска на внутренней стороне кольца определяет в какую сторону будет изгибаться кольцо. Если фаска снизу, то кольцо после нагрева будет выворачиваться наружной поверхностью вниз, как показано на картинке. И соответственно если фаска сверху, то и выворачиваться рабочая поверхность кольца будет вверх.

Маслосъемное кольцо

Под компрессионными кольцами располагается маслосъемное кольцо, выполняющее функцию удаления излишек масла со стенок цилиндра.

Большое количество масла, проникающее через компрессионные кольца в камеру сгорания, плохо сказывается на работе двигателя. В процессе работы сгорающее масло откладывается на стенках клапанов, камере сгорания, свечах, дне поршня. Большой нагар сильно разогревается, повышается вероятность детонации. Выпускные клапана подвергаются увеличенной температурной нагрузке.

Тонкий слой масленой пленки, оставляемый маслосъемными кольцами, снижает силу трения компрессионных колец, увеличивая их долговечность. В отличии от компрессионных маслосъемные не прижимаются рабочим давлением газа к плоскости канавки в поршне и стенкам цилиндра, поэтому имеют специальные осевые и радиальные расширители.

По конструкции можно выделить два типа колец: коробчатые и наборные те и другие могут иметь различные расширители.

При движении поршня вниз маслосъемные кольца соскребают со стенок цилиндра излишки масла направляя их по дренажным отверстиям в поршне обратно в картер. Масляный клин перед кольцом помогает эффективно смазывать скользящую юбку поршня. Стенки цилиндра имеют шероховатость, так называемый хон, который позволяет задерживать тончайший слой масла, для компрессионных колец.

Большее распространение получили наборные кольца, состоящие из двух тонких стальных пластин, (часто имеющих различные покрытия для снижения терния) и тангенциального расширителя, выполняющего одновременно осевое и радиальное расширение. Используются в современных двигателях.

Особенности установки маслосъемных колец

Хочу обратить ваше внимание на установку именно маслосъемных колец. С компрессионными не должно возникнуть проблем если соблюдать простые правила, устанавливать надписями вверх (надписи, точка) и пользоваться специальным инструментом.

При установки маслосъемных могут возникнуть трудности при отсутствии надписей, или правильность установки замка расширителя. Разберемся в этом подробнее. Если надписи отсутствуют, то не имеет значения какой стороной вы поставите кольцо и какое из них будет сверху, а какое снизу (наборные).

Часто ошибки возникают при установке поршня в цилиндр, даже если используется специальных хомут для стяжки колец на поршне. Особенность состоит в следующем. При сборке маслосъемного кольца стоит обратить внимание на замок расширителя и правильность его стыковки. Для наглядности смотрим изображение ниже.

Во время сжатия колец на поршне замок расширителя маслосъемного кольца может соскочить с правильного положения и лечь в нахлест собираясь по спирали, таким образом пластины проваливаются через расширитель и это приведет к задиру стенок цилиндра, и канавок поршня. Чтобы этого избежать стягивающий хомут следует располагать таким образок как показано на изображении.

Соблюдая простые правила, вы правильно установите кольца в цилиндре.

Многие автолюбители интересуются, как своевременно определить проблему с поршневыми кольцами и какие основные признаки неисправности этих деталей. Для того чтобы разобраться в этом вопросе необходимо четко понимать назначение компрессионных и маслосъемных колец двигателя, особенности их конструкции и условий работы.

Особенности конструкции и назначение поршневых колец двигателя.

Поршневые кольца автомобильного двигателя выполняют 3 основные задачи:

1. Предотвращение прорыва газов из камеры сгорания в картер.
2. Отведение теплоты от нагретого отработавшими газами поршня в стенки цилиндров.
3. Обеспечение смазки деталей цилиндропоршневой группы и предотвращение (или хотя бы минимизация) попадания масла с картера в камеру сгорания и как следствие повышенного расхода масла.

В большинстве современных двигателей эти функции выполняют три поршневых кольца:

Верхнее компрессионное кольцо отвечает за герметизацию камеры сгорания и испытывает очень большие нагрузки, так как воспринимает большую часть давления отработавших газов при сгорании. К тому же кольца работают в условиях повышенных температур, что сказывается на условиях их смазки и износа, что в итоге приводит к повышенному расходу масла. Для обеспечения противостояния большим температурным и силовым нагрузкам верхние кольца изготавливают из высокопрочного чугуна, легированного молибденом, никелем и хромом.

Среднее компрессионно-маслосъемное кольцо кроме функции уплотнения выполняет еще управление смазкой деталей и предотвращает повышенный расход масла. Во время хода поршня от верхней мертвой точки к нижней кольцо снимает масло со стенок цилиндра. Для обеспечения выполнения этой функции средние кольца имеют специальную форму, которая позволяет снимать масло со стенок при ходе поршня вниз и пропускать его при ходе вверх, что предотвращает попадание масла в камеру сгорания. Так как эти кольца менее нагружены чем компрессионные, то их, как правило, изготавливают из менее прочного материала - серого легированного чугуна с пластинчатым графитом.

Как можно догадаться из самого названия, главной задачей нижнего маслосъемного кольца является снятие масла с поверхности цилиндра и через отверстия или пазы в канавке поршня сбрасывание его в картер. Так как функции этого кольца отличаются от тех, что выполняют компрессионные кольца, то и его конструкция существенно отличается.

В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа маслосъемных колец:

1. коробчатое с эспандерной пружиной;
2. наборное, которое состоит из двух дисков и двухфункционального расширителя.

Основными требованиями к этим кольцамявляются хорошая приработка к стенкам цилиндра и высокое давление на них, что обеспечивает эффективное снятие смазочного материала и предотвращение повышенного расхода масла. В зависимости от типа маслосъемные кольца изготавливают из серого легированного чугуна или из углеродистой стали. Для эффективной работы в паре с чугунной гильзой их поверхность хромируют.

Основные признаки износа поршневых колец

При износе верхних компрессионных колец, как правило, снижается компрессия в двигателе, что проявляется в ухудшении разгонной динамики автомобиля, а в случае если изношены кольца не у всех цилиндрах, то такой двигатель работает неравномерно. Для того чтобы определить в каком цилиндре изношены кольца необходимо замерить компрессию. В исправном бензиновом двигателе она должна составлять 11 – 13 бар, в дизеле – от 23 до 40 бар.

Когда изношены маслосъемные кольца

Износ или неисправность маслосъемных колец проявляется в повышенном расходе масла при нормальных условиях эксплуатации. Также признаком износа колец служит наличие черного дыма из системы выпуска и системы вентиляции картера (сапуна). Причиной этого является выгорание попавшего в камеру сгорания моторного масла.

Одним из возможных признаков, что может свидетельствовать о износе маслосъемных колец, служит загрязнение свечей маслом, но такое бывает и в случае если изношены масляные колпачки клапанов. Для точного определения причины неисправности потребуется разборка двигателя.

В большинстве случаев у современных двигателях внутреннего сгорания срок службы маслосъемных колец составляет 150-200 тысяч километров пробега, а в некоторых моторах даже от 300 до 500 тыс. Однако если автомобиль эксплуатируется в тяжелых условиях или его владелец своевременно не меняет масло, то их замена будет необходима уже через 50 тыс. километров. В связи с этим, принимая решение о замене компрессионных и маслосъемных колец, не стоит ориентироваться только по пробегу автомобиля.

Что делать при износе колец?

Для того чтобы выбрать путь решения проблемы необходимо выяснить, по какой причине она возникла. Возникновение вышеуказанных симптомов может быть вызвано износом или поломкой компрессионных и маслосъемных колец или же в случае если они закоксовались и залегли.

В первом случае нужно будет обязательно разбирать двигатель, и устанавливать новые детали вместо поврежденных. При этом следует тщательно осмотреть все сопряженные детали, так как при поломке колец возможно возникновение задиров, что можно устранить только путем проведения капитального ремонта .

В случае если есть предположение, что поршневые и маслосъемные кольца залегли, то можно добавить в масло специальную присадку. Но такой способ применяется, как правило, в профилактических целях.

Связанные с поршневымикольцами неисправности возникают в практике довольно часто. Поэтому для того чтобы предотвратить возникновение серьезных последствий и, как результат, больших расходов на ремонт, необходимо вовремя распознавать первые их симптомы и принимать соответствующие меры.

Евгений Шуба, к.т.н., преподаватель кафедры двигателей и теплотехники Национального транспортного университета

Многим водителям знакомы принципы работы двигателя внутреннего сгорания. В нем много комплектующих, определяющих нормальное функционирование всех систем агрегата. Например, такие, казалось бы, незначительные детали, как поршневые кольца, выполняют достаточно важную функцию в работе мотора.

Если эти детали износились, это сразу отражается на производительности мотора, резко возрастает потребление топлива и моторного масла. Но для того, чтобы поставить новые кольца самостоятельно, нужно разобраться в их видах и особенностях. Если по незнанию поставить на поршень комплект не того диаметра или установить детали в неправильном порядке, это может быть чревато необходимостью капитального ремонта двигателя.

В данной статье мы рассмотрим, какие бывают их виды, что такое «тепловой зазор поршневых колец», как сделать оправку для их установки своими руками и некоторые другие моменты.

Назначение поршневых колец

Не будем подробно разбираться в принципах работы двигателя внутреннего сгорания. Коснемся только вопроса соединения поршней и двигателя цилиндра. Как известно, оно является герметичным. Тем не менее, поршни легко скользят по внутренним кольцам цилиндра, не давая газам из надпоршневого пространства проникать в зазор между двумя поверхностями в картер агрегата.

Тем не менее, некоторая утечка газов все равно происходит даже на полностью исправном двигателе, но при качественных кольцах она составляет допустимую норму и никак не может повлиять на работу агрегата. В том случае, когда эти детали поршня значительно изнашиваются, количество проникающих в картер газов увеличивается.

Но существует и другое назначение, для выполнения ряда таких функций:

• герметичное соединение поверхностей поршней и стенок цилиндра;
• обеспечение нужного количества масла, находящегося на стенках цилиндра, и предотвращение его попадания в камеру сгорания;
• кольца отводит тепло от поршней к стенкам цилиндра, что предотвращает их перегревание и коррозию.

Не трудно догадаться, что поршни выполняют свою задачу в крайне агрессивных условиях. С одной стороны, это экстремальные температуры, возникающие в процессе работы агрегата. С другой - условия масляного голодания в верхней части поршня. Данные задачи решаются за счет подбора материала для всех видов колец и их различная форма.

Важно! Качественные поршневые кольца должны быть достаточно узкими. Специалисты утверждают, что чем тоньше кольцо, тем эффективнее оно будет предотвращать вибрации поршней при высоких оборотах двигателя. Кроме того, они лучше справляются с трением в процессе хода поршня.

Но если двигатель имеет средние показатели мощности, то достаточно будет и обычных, более дешевых широких колец.

Конструкция поршневых колец

На большинстве моделей машин внутри двигателей для каждого поршня применяется по три кольца. Они имеют диаметр, превышающий размер самого поршня. Часть каждого из них вырезана. Этот вырез называется замком.

На поршне они устанавливаются таким образом, чтобы замки не располагались на одном уровне. Данные прорези - это расстояние между концами незамкнутых колец. Замки имеются исключительно на всех разновидностях данных деталей. Они предназначены для компенсации тепловых расширений, возникающих в процессе взаимодействия внутренних деталей двигателя.

Всем известно, что при воздействии высоких температур на металл, он имеет свойство расширяться. Если бы кольца имели монолитную конструкцию, они при нагревании увеличивали бы нагрузку на поршни и цилиндры.

Для чего нужен тепловой зазор в поршневых кольцах

Известно, что в процессе перемещения поршня, он воспринимает огромное давление. Это давление передается на коленвал. Именно наличие зазора в конструкции позволяет максимально передать это давление и полностью использовать его величину.

Кроме того, тепловой зазор обеспечивает минимальный контакт поверхностей поршня и цилиндра. В противном случае эти детали подвергались бы повышенному износу. Еще одна не менее важная функция - это обеспечение поверхностей оптимальным количеством масляной смазки. Масло проникает в зазоры, но при этом не попадает в камеру сгорания.

Важно! Необходимый тепловой зазор должен находиться в пределах 0,6-0,3 мм. Кроме того, следует позаботиться о допустимом боковом зазоре между кольцом и стенкой поршня. Нормой является расстояние в 0,08-0,04.

Именно зазоры обеспечивают эффективный отвод тепла от поверхностей деталей. В данном случае они применяются для компенсации избыточного температурного воздействия. В том случае, если приведенные выше параметры не будут обеспечены, двигатель не будет выдавать ожидаемых от него характеристик.

Виды поршневых колец

В зависимости от своего назначения, поршневые кольца разделяются на такие виды:

• компрессионные;
• маслосъемные.

Ранее на поршнях старых двигателей с невысокими показателями мощности устанавливалось большое количество колец. Теперь, для большинства моделей авто используется по три кольца. Устанавливаются они в следующем порядке.

1. Верхнее компрессионное. Оно имеет молибденовую противоизносную вставку.
2. Второе компрессионное.
3. Маслосъемное.

Маслосъемное кольцо состоит из трех частей. Это - верхняя и нижняя маслосъемные пластины, а между ними расположен тангенциальный расширитель.

Именно так выглядит набор поршневых колец для современных бензиновых двигатель. В зависимости от года выпуска автомобиля, могут применяться и другие комплекты деталей.

Компрессионные поршневые кольца предназначаются для уплотнения поверхностей поршня и цилиндра, они же предотвращают проникновение газа в камере сгорания и обеспечивают отвод тепла.

Эти виды деталей так или иначе отличаются друг от друга. Стоит учитывать и тот факт, что различные производители могут изменить конструкцию и материал колец, таким образом повышая их показатели прочности и улучшая работоспособность агрегата.

Материалы, применяемые для изготовления

Как уже было сказано, от материала данных деталей будет зависеть срок их службы и показатели производительности. Изготавливаться они могут из таких сплавов:

• чугун. Его структура позволяет удерживать моторное масло, значительно увеличивая срок эксплуатации детали. Как правило, чугун покрывается хромом;
• пластичный чугун, являющийся производной обычного чугуна. Материал сохраняет все основные свойства сплава, но при этом имеет хорошую способность к упругой деформации. Это значительно упрощает установку;
• нержавеющая сталь стала применяться только в последнее время. В нее входит большее количество хрома, кроме того, она лучше чугуна переносит температурные нагрузки;
• чугунные детали покрывают молибденом, что значительно увеличивает их эксплуатационные характеристики и продлевает срок службы. Именно чугунные детали с молибденовым покрытием в последнее время применяются чаще всего.

Верхнее компрессионное

Существует достаточно большое количество конфигураций этих деталей, но их различия уловить достаточно сложно. К примеру, иногда они имеют несколько перекрученную форму.

Основное назначение - это ускорение приработки поверхностей поршневых колец со стенками цилиндров. Если деталь имеет несколько перекрученную структуру, то его поверхности достаточно быстро уплотняются в канавке цилиндра.

Нижнее и маслосъемное

Второе компрессионное обычно имеет большее уплотнение с поверхностью канавки, и его основная функция состоит в том, чтобы не пропускать газы в камеру и предотвращать попадание масла в камеру сгорания. В противном случае может возникнуть детонация. Оно, по сути, нормирует количество масла между верхним компрессионным и маслосъемными кольцами.

Последнее полностью снимает масло с поверхности стенок цилиндра.

Инструменты для установки

Следует учитывать, что без применения специальных инструментов и при ручном разжатии деталей, их срок эксплуатации значительно сокращается. Для снятия старой детали и установки нового на цилиндр, применяется съемник поршневых колец. Он может иметь различную конструкцию:

Для того чтобы правильно установить поршневые кольца, необходимо соблюдать норму их прижатия к стенкам поршня. Для этого используется специальная оправка.

Оправка поршневых колец своими руками - достаточно распространенное приспособление. Сделать его можно по такой схеме:

Таким образом, установить поршневые кольца своими руками задача несложная и под силу каждому автолюбителю при соблюдении определенных правил.

На видео представлен обзор поршневых колец:

Достаточно часто приходится замечать, что из выхлопной трубы автомобиля появляется увеличенное дымление. Иногда ситуации доходят до того, что автомобиль буквально окутан клубами густого дыма. Вполне очевидно, что каждому автолюбителю появление чрезмерной задымленности указывает на появление определенных проблем с .

Сразу отметим, что не всегда, но часто повышенное дымление указывает на серьезные . При этом для опытных водителей не составит труда определить причину по цвету и составу выхлопа. Однако для новичков не всегда бывает просто понять, почему дымит двигатель, а также установить причину и выявить, кольца или колпачки. Давайте разбираться.

Читайте в этой статье

Появился белый или черный дым из выхлопной трубы

Начнем с основных видов дымления для лучшего понимания проблемы. Итак, белый дым из выхлопной трубы — вполне нормальное явление для режимов прогрева холодного двигателя. Более того, ошибочно полагать, что это дым. На самом деле это пар. Вода в парообразном состоянии — естественный продукт работы мотора.

В непрогретой выпускной системе этот пар частично конденсируется и становится видимым, причем на срезе выхлопной трубы обычно появляется вода. По мере прогрева двигателя и конденсация уменьшается.

Чем холоднее окружающая среда, тем более плотным получается пар. При температуре ниже 10 °С пар образуется и на хорошо прогретом двигателе, а при морозе в минус 20 — 25 градусов приобретает густой белый цвет с сизым оттенком. На цвет и насыщенность пара влияет также влажность воздуха. Чем она больше, тем пар гуще.

Отметим, что если пар виден в теплое время года, вполне возможно, это связано с . Его оттенок зависит от состава охлаждающей жидкости, погоды, освещенности, а также от количества охлаждающей жидкости в камере сгорания. Иногда он может приобретать сизый оттенок, напоминая «масляный» дым. Но, в отличие от масляного дыма, который надолго оставляет в воздухе синеватый туман, пар быстро рассеивается.

Неопытному автомобилисту достаточно сложно по внешнему виду определить, что является источником дыма. На этот случай можно воспользоваться проверенным способом проверки. Для этого необходимо на хорошо прогретом двигателе кратковременно закрыть срез выхлопной трубы листом белой бумаги, при этом конденсированный пар в виде капель воды при попадании на бумагу постепенно испарятся и не оставит явных жирных следов.

Если этот простой тест подтвердил, что из выхлопной системы выходит именно пар, а не масляный дым, необходимо принять меры по устранению неисправности, способствующей проникновению охлаждающей жидкости в цилиндры.

Чаще всего жидкость может попадать в цилиндры через из-за недостаточной протяжки (в зимний период часто наблюдается подтекание охлаждающей жидкости на стыке блока и головки), прогара и реже в результате образования . Открыв пробку радиатора или , легко выявить запах выхлопных газов и пленку масла на поверхности охлаждающей жидкости.

Все неполадки, связанные с белым дымом из выхлопной трубы, требуют устранения не только прямых причин, но и обязательной проверки систем, способных повлиять на их появление: , датчик включения, муфта или сам вентилятор, состояние радиатора, его пробки, шланги или соединения. Если белый дым и сопутствующие ему дефекты замечены, то эксплуатировать автомобиль нельзя, так как дефекты быстро прогрессируют.

• Идем далее. Черный дым из выхлопной трубы свидетельствует о переобогащении топливно-воздушной смеси или об ухудшении условий сгорания топлива. Следовательно, речь идет о неисправностях . Такой дым обычно хорошо просматривается на светлом фоне и представляет собой частички сажи — продукты неполного сгорания топлива.

Черный дым сопровождается большим расходом топлива, часто плохим запуском, неустойчивой работой двигателя, высокой токсичностью выхлопных газов, а нередко и потерей мощности из-за неоптимального состава топливовоздушной смеси.

Важно понимать, что наблюдение за симптомами и быстро установленная проблема позволит в дальнейшем уменьшить стоимость ремонта и избежать серьезных и быстро прогрессирующих поломок ДВС.

Читайте также

Почему залегают поршневые кольца. Основные признаки для самостоятельного оределения неисправности, диагностика. Раскоксовка поршневых колец своими руками.

Использование противоизносных, противодымных и других присадок для уменьшения расхода масла. Плюсы и минусы после применения присадки в двигатель.