Protected by Copyscape Originality Checker
Яндекс цитирования
Рейтинг сайтов

Поршневые кольца

 

Поршневые кольца

При изучении принципов работы двигателя внутреннего сгорания отмечалось, что скользящее соединение между поршнем и цилиндром герметично, то есть газы, находящиеся под давлением в надпоршневом пространстве, не проникают между поршнем и стенками цилиндра в картер двигателя. Обеспечить приемлемую герметичность основное предназначение поршневых колец. При этом необходимо отметить, что незначительная часть газов из камеры сгорания всё равно проникают во внутренне пространство картера даже нового, вполне исправного, двигателя. Уплотнение при помощи поршневых колец в технике называется уплотнением лабиринтного типа, в уплотнениях подобного типа всегда происходит некоторая утечка газов. Но эта утечка на исправном двигателе обычно лежит в диапазоне 0,5 – 1,0%.

Находящиеся в картере двигателя газы называются картерными газами. По мере износа цилиндропоршневой группы двигателя количество картерных газов увеличивается.

Кроме уплотнения поршневые кольца выполняют ещё две задачи. Регулируют количество масла на стенках цилиндра, необходимого для смазывания, как самих колец, так и поршня, и отводят тепло от поршня к стенкам цилиндра.

Предназначение поршневых колец:

  1. Обеспечение герметичности между поршнем и стенками цилиндра.
  2. Регулирование количества масла, необходимого для смазывания соединения поршня и цилиндра, и предотвращения попадания масла в камеру сгорания двигателя.
  3. Отвод тепла от поршня к стенкам цилиндра.

 

Эти три задачи поршневые кольца выполняю в очень тяжёлых условиях под воздействием высоких тепловых и механических нагрузок. Тепловое напряжение поршневых колец возникает под воздействием горячих рабочих газов и под воздействие трения колец о стенки цилиндра, происходящего в условиях масляного голодания в верхней части поршня.

Успешное решение этих задач решается как за счёт конструкции колец, так и правильного подбора материала изготовления колец.

 

Тип колец

Поршневые кольца делятся на два типа:

  1. Компрессионные
  2. Маслосъёмные.

 

Поршневые кольца - схема
Поршневые кольца - схема
  1. Первое (верхнее) компрессионное кольцо

1.1.  Молибденовая противоизносная вставка

  1. Второе компрессионное кольцо
  2. Маслосъёмное кольцо

3.1.  Верхняя маслосъёмная пластина

3.2.  Тангенциальный расширитель

3.3.  Нижняя маслосъёмная пластина

 

Поршень с поршневыми кольцами
Поршень с поршневыми кольцами

Фотография разреза поршня современного бензинового двигателя с установленным на него типичным комплектом поршневых колец в соответствии со схемой, данной на верхнем рисунке.

Компрессионные кольца обеспечивают необходимую герметичность, а маслосъёмные кольца регулируют количество масла на стенках цилиндра. Именно регулируют, а не полностью удаляют, поскольку полное или слишком большое удаление масла приведёт к масляному голоданию соединения поршня со стенками цилиндра в верхней части поршня и последующему заклиниванию поршня в цилиндре.

 

Ранее двигатели были тихоходными, и количество поршневых колец на одном поршне доходило до 5 – 7. Но почти все современные бензиновые двигатели и быстроходные автомобильные дизельные двигатели имеют на одном поршне всего три поршневых кольца – два компрессионных кольца и одно маслосъёмное.

Хотя поршни двигателей форсированных спортивных автомобилей, постоянно работающие на высоких оборотах, могут иметь всего два кольца. А поршни дизельных автомобильных двигателей, для облегчения запуска, могут иметь четыре кольца, три из которых компрессионные.

Некоторая терминология

Поршневые кольца - терминология
Поршневые кольца - терминология
  1. Концевой зазор в свободном состоянии
  2. Концевой зазор в сжатом состоянии
  3. Торсионная закрутка кольца после сжатия
Поршневые кольца - терминология
Поршневые кольца - терминология
Пошневые кольца - терминология
Пошневые кольца - терминология

Компрессионные поршневые кольца

Первое (верхнее) компрессионное кольцо

Поршневые кольца - Верхнее компрессионное кольцо
Поршневые кольца - Верхнее компрессионное кольцо
Верхнее компрессионное кольцо

Кольцо, установленное в канавку поршня, находящегося в цилиндре двигателя, должно принять абсолютно круглую форму (это выполняется, если сама гильза цилиндра не имеет деформаций) и быть прижатым к поверхности цилиндра по всей наружной окружности поршневого кольца. Для обеспечения этого, упругое поршневое кольцо изготавливается не в виде правильной окружности, а в виде дуги переменного радиуса, большего, чем диаметр цилиндра и имеющее в свободном состоянии достаточно больший зазор (1) между концами кольца. При установке в цилиндр кольцо сжимается и зазор (2) в замке кольца становится 0,15 ÷ 0,5 мм. Точное и максимально допустимое значение этого зазора указывается в технической документации двигателя. Обеспечение регламентированной величины зазора очень важно, увеличенный зазор способствует прорыву газов в картер двигателя и снижению мощности. Но ещё опасней уменьшенный зазор в замке поршневого кольца. Во время работы, в результате нагрева кольцо расширяется и при уменьшенном зазоре может произойти заклинивание поршневого кольца в цилиндре, что приведёт к образованию задиров на зеркале цилиндра, поломке межкольцевых перегородок поршня или поломке самого кольца. Поэтому допустимо небольшое увеличение зазора, но недопустимо уменьшение зазора в замке поршневого кольца.

Ведущие производители поршневых колец производят кольца с постепенно уменьшающимся через 0,1 мм зазором, таких подбираемых размеров может быть до 15.

 

Отсутствие концевого зазора при одновременном уменьшении высоты кольца

Поршневые кольца - Беззазорное поршневое кольцо
Беззазорное поршневое кольцо

Некоторые производители поршневых колец выпускают «беззазорные» поршневые кольца. Разумеется, невозможно изменить природное свойство металлов к расширению при повышении температуры, кольцо, установленное в цилиндр двигателя без зазора, обязательно заклинит. Но многое можно решить за счёт удачной конструкции. В этом случае поршневое кольцо состоит из двух плоских колец, установленных друг на друга и повёрнутых относительно друг друга на 180º. При этом верхнее кольцо имеет форму буквы «L», а нижнее кольцо вставлено в выемку верхнего кольца, за счёт чего высота такого кольца получается не более высоты стандартного кольца. 

 

Когда-то замки поршневых колец старых тихоходных двигателей, для уменьшения прорыва газов через замок кольца имели сложную форму, но в современных высокооборотных двигателях прорыв газов через замок кольца незначителен. Поэтому современные кольца имеют только прямоугольную форму замка.

 

Прршневые кольца - Замки поршневых колец
Замки поршневых колец

Правильная установка поршневых колец

Переменный радиус дуги поршневого кольца берётся не произвольно, а рассчитывается для обеспечения необходимой эпюры силы прижатия кольца к стенкам цилиндра. Во время работы поршневое кольцо изнашивается неравномерно. В результате экспериментов определено, что наиболее интенсивно кольцо изнашивается в районе замка. Поэтому первоначальное увеличение силы прижатия кольца в зоне замка увеличивает срок службы кольца.

Но точно рассчитанная эпюра усилий кольца может измениться в результате непрофессиональной установки кольца на поршень. Современные, очень тонкие компрессионные поршневые кольца не допускается устанавливать на поршень руками. Для этого необходимо использовать специальное приспособление, обеспечивающее равномерное разжатие кольца по всей окружности и ограничение максимального разжатия.

 

Поршневые кольца - Приспособления для установки поршневых колец
Приспособления для установки поршневых колец

Установка кольца руками, с увеличенным и неравномерным расжатием, значительно сокращает срок службы кольца.

 

Прижатие компрессионных колец к стенкам гильзы цилиндра

Поршневые кольца - Прижатие поршневых колец
Прижатие поршневых колец

На этом рисунке видно, что газы из камеры сгорания через зазор между жаровым поясом поршня и стенкой цилиндра и через зазор между стенкой перегородки и поршневым кольцом попадают во внутреннюю полость поршневого кольца. При этом давление во внутренней полости верхнего компрессионного кольца практически равно давлению в камере сгорания.

За счёт давления газов на внутреннюю поверхность кольца происходит дополнительное прижатие поршневого кольца к стенкам цилиндра. Некоторая часть газов также попадает во внутреннюю полость второго компрессионного кольца. Поскольку первое компрессионное кольцо дросселирует давление газов, давление во внутренней полости второго компрессионного кольца мотет быть равно 30 – 60%, от давления во внутренней полости первого компрессионного кольца.

С учётом того, что все процессы в двигателе происходят достаточно быстро, давление из внутренних полостей поршневых колец не падает до следующего такта рабочего хода, это явление называется аккумулированием давления. Аккумулирование давления обеспечивает приемлемую работу поршневых колец, частично потерявших свою упругость в результате старения или перегрева. Потерявшие упругость поршневые кольца будут удовлетворительно работать на режиме высоких нагрузок двигателя, но при работе двигателя в режиме низких нагрузок поршневые кольца не обеспечат необходимое уплотнение. Поэтому, исправными можно считать поршневые кольца серийного легкового автомобиля, обеспечивающие прижатие к стенкам цилиндра за счёт собственной упругости.

Некоторые производители поршневых колец заявляют, что до 90% усилия прижатия поршневых колец возникает за счёт давления рабочих газов двигателя. Возможно, кольца с подобными технически характеристиками подойдут только для специальных спортивных двигателей, постоянно работающих в диапазоне высоких оборотов и высоких нагрузок, Но вряд ли такое кольцо будет успешно работать в двигателе серийного автомобиля. Специально подготовленные поршневые кольца, как и многие другие детали двигателя, могут улучшить работу двигателя на строго определённых режимах оборотов и нагрузки. Но при этом значительно ухудшить работу двигателя на остальных режимах.

 

Очень важным эксплуатационным размером является боковой зазор между кольцом и канавкой поршня, поскольку именно от него зависит давление в поршневой канавке. В среднем этот зазор равен 0,04 ÷ 0,08 мм. От величины этого зазора также зависят ударные нагрузки на перегородки поршневых колец и, соответственно, шумность работы двигателя, возрастающие при увеличении зазора или вероятность заклинивания (потери подвижности) поршневых колец при уменьшении зазора.

 

Многие автомеханики считают, что поршни не подлежат дальнейшей эксплуатации по причине износа направляющей части (юбки) поршня, но обычно износ направляющей части поршня незначителен. Разумеется, если поршень не работал в режиме масляного голодания, и на поверхности поршня и стенок цилиндров не образовались задиры.

На самом деле поршень часто выбраковывается по причине недопустимого износа канавки верхнего компрессионного кольца.

 

Поршневые кольца - Высота поршневого кольца
Поршневые кольца - Высота поршневого кольца

При производстве и высота поршневых колец, и высота канавки поршня имеют некоторый разброс, поэтому, для обеспечения необходимого зазора, иногда бывает возможность подбора поршневого кольца необходимой высоты.

 

Второе компрессионное кольцо

Пршневые кольца - Второе компрессионное кольцо
Поршневые кольца - Второе компрессионное кольцо
Второе компрессионное кольцо
Поршневые кольца - Конусное компрессионное кольцо
Конусное компрессионное кольцо

Форма второго компрессионного кольца отличается от формы первого компрессионного кольца. Иногда из-за своеобразной формы наружной поверхности второе компрессионное кольцо называется скребковым

Это кольцо работает не только как компрессионное, но и участвует в регулировании количества масла на стенках цилиндров, то есть частично выполняет задачу маслосъёмного кольца. Нижняя часть рабочей поверхности второго кольца изготавливается в виде скребка, который при перемещении поршня вниз снимает со стенок цилиндра лишнее масло. Нижнее компрессионное кольцо работает в значительно более лёгких условиях. И температура в зоне кольца и давление газов на кольцо (соответственно сила прижатия кольца к стенке цилиндра) значительно ниже по сравнению с подобными показателями, оказывающими воздействие на верхнее кольцо.

 

Оба компрессионные кольца допускается устанавливать только в одном положении. На верхней поверхности компрессионного поршневого кольца ставится метка «Т», «ТОР» или другие. Кольцо всегда устанавливается этой меткой вверх. Неправильно установленное поршневое кольцо, неправильно работает.

 

Маслосъёмные кольца

Поршневые кольца - Маслосъёмное кольцо
Маслосъёмное поршневое кольцо

Маслосъёмные кольца устанавливаются ниже компрессионных поршневых колец. На поршни двигателей современных легковых автомобилей устанавливается всего по одному маслосъёмному кольцу. Хотя старые двигатели, особенно предназначенные для стационарного применения, использовали по несколько маслосъёмных колец.

 

Маслосъёмные кольца предназначены для регулирования количества масла, находящегося на стенках цилиндра. Тут не очень подходит русская поговорка: «Кашу маслом не испортишь». Масла на стеках цилиндра должно быть не как можно больше, а ровно сколько необходимо. Недостаточное количество масла приведёт к масляному голоданию и, вследствие этого, к повышенному износу поршневых колец, поршня и поверхности цилиндра. В некоторых тяжёлых условиях работы двигателя при наличии масляного голодания могут произойти задиры в соединение поршня с цилиндром, и даже полное заклинивание поршня в цилиндре.

Так же нежелательно излишнее количество масла на стенках цилиндра. Лишнее масло, через компрессионные кольца попадает в камеру сгорания двигателя. Что приводит к повышенному расходу масла, образованию нагара на стенках камеры сгорания, клапанах и свече зажигания. Нагар от сгоревшего масла в камере сгорания и на клапанах значительно ухудшает некоторые технические характеристики двигателя. Во время работы двигателя система смазки разбрызгивает в нижней внутренней полости цилиндра большое количество смазки, необходимого для смазывания поршневого пальца и охлаждения поршня

При перемещении поршня вниз, маслосъёмное кольцо своими кромками собирает излишнее масло со стенок цилиндра и через дренажные отверстия в канавке поршня направляет его во внутреннюю полость поршня. Далее масло стекает в масляный поддон, возвращаясь в систему смазки двигателя.

 

Поршневые кольца - Удаление масла
Удаление масла
Поршневые кольца - Масляный клин
Масляный клин

Для надёжной работы двигателя на стеке цилиндра должен находится тонкий слой масла, установленной толщины. Слой масла зависит не только от маслосъёмного кольца, но и от качества обработки поверхностей, как самих стенок цилиндров, так и поршня. Иногда можно слышать мнение, что чем чище отполирована поверхность стенки цилиндра, тем меньше сила трения и тем лучше работает двигатель. На самом деле это не так. Существующие технологии позволяют создать поверхности цилиндра с очень высокой чистотой обработки, но на полированной поверхности не будет удерживаться масло.

При окончательной хонинговке отверстия цилиндра на его внутренней поверхности создаётся структура, позволяющая удерживать необходимое количество масла.

 

Поршневые кольца - Сетка на поверхности гильзы цилиндра
Сетка на поверхности гильзы цилиндра

Структура поверхности цилиндра.

Сначала осуществляется черновая хонинговка крупнозернистым хоном. Для создания необходимой структуры поверхности хон одновременно с вращательным движением осуществляет вертикальные возвратно-поступательные движения в результате на поверхности цилиндра образуются ромбы. После этого при помощи мягкого мелкозернистого хона делается плоская поверхность ромбов.

Ремонт автомобиля - Поверхность юбки поршня
Поверхность юбки поршня

Поверхность юбки поршня не делается абсолютно гладкой. На поверхности поршня после механической обработки остаётся необходимая зернистость.

 

Если прижатие компрессионных поршневых колец, особенно верхнего, в основном, осуществляется за счёт давления рабочих газов, то маслосъёмные кольца должны обеспечивать прижатие за счёт собственной упругости. Это обеспечивается конструкцией маслосъёмных колец и подбора материалов, из которых изготовлены кольца.

 

По своей конструкции маслосъёмное кольцо сложнее компрессионного кольца. Маслосъемные кольца бывают коробчатой формы, имеющие две грани для соскабливания масла и внутренние щели для отвода масла к дренажным отверстиям поршня. В такие кольца часто вставляется пружинный радиальный расширитель, обеспечивающий необходимое прижатие маслосъёмного кольца к стенкам цилиндра. В этом случае с внутренней стороны кольца делается U-образная или V-образная проточка для спиральной пружины.

Коробчатые маслосъёмные кольца имеют специальные пазы, через которые собранные со стенок цилиндров масло, через отверстия в теле поршня, расположенные в канавке маслосъёмного кольца масло отводится во внутреннюю часть поршня.

 

Маслосъёмное кольцо со спиральным расширителем
Маслосъёмное кольцо со спиральным расширителем
Устройство автомобиля - Коробчатые маслосъёмные кольца
Коробчатые маслосъёмные кольца

1 – Без радиального расширителя

2 – С радиальным расширителем в виде спиральной пружины

3 – С радиальным расширителем в виде пластинчатой пружины

 

Устройство автомобиля - Коробчатые маслосъёмные кольца
Коробчатые маслосъёмные кольца

Коробчатые (пазовые) маслосъемные кольца

Большое распространение получили составные маслосъёмные кольца, состоящие из нескольких частей. Такое кольцо обычно состоит из двух плоских стальных хромированных боковых пластин, наружные окружности которых и являются элементами, удаляющими масло со стенок цилиндра. Боковые пластины разжимаются при помощи радиального и осевого расширителей (экспандеров). Иногда эти два расширителя заменяются одним тангенциальным одновременно производящим и осевое и радиальное расширение маслосъёмного кольца. В двигателях серийных автомобилей наибольшее распространение получили трехкомпонентные маслосъёмные кольца, состоящие из боковых хромированных пластин и тангенциального расширителя.

 

Составные трёхкомпонентные маслосъёмные кольца

Поршневые кольца - Ремонт двигателя внутреннего сгорания
Составное трёхкомпонентное кольцо
Ремонт автомобилей, Поршневые кольца
Составные маслосъёмные кольца с различными типами расширителей

Различные типы тангенциальных расширителей составных маслосъёмных колец

Поршневые кольца, Ремонт автомобиля
Составное четырёхкомпонентное кольцо
  1. Верхняя плоская пластина
  2. Осевой расширитель
  3. Радиальный расширитель
  4. Нижняя плоская пластина

 

Материалы поршневых колец

К материалам, из которых изготавливаются поршневые кольца, предъявляются очень высокие требования. Во время работы температура верхнего компрессионного кольца достигает 300º С. При этой температуре кольцо должно сохранять эластичность, обладать низким коэффициентом трения по материалу, из которого изготовлены стенки цилиндров, и иметь высокую износоустойчивость. До 50 ÷ 60% всех потерь на трение в двигателе приходится на трение между поршневыми кольцами и стенками цилиндра.

 

Обычно компрессионные поршневые кольца двигателей серийных автомобилей изготавливаются из специальных сортов прочного легированного чугуна, но в последнее время компрессионные кольца, особенно высокофорсированных двигателей, изготавливаются из стали. Для повышения износостойкости компрессионных колец на них рабочую поверхность наносится хромовое или молибденовое покрытие. Пористый хром, применяемый для покрытия поршневых колец, удерживает на своей поверхности необходимое количество масла. Эти покрытия имеют не только высокую износостойкость, но и уменьшенный коэффициент трения в паре с чугуном, из которого изготовлен блок цилиндров или вплавленные гильзы цилиндров алюминиевого блока. На поршневые кольца молибден наносится методом плазменного напыления.

Поскольку молибден достаточно дорогой металл, обычно он наносится только на верхнее компрессионное кольцо, при этом перед напылением молибдена на рабочей поверхности кольца делается тонкая пазовая проточка. По своим физическим качествам хромированные поршневые кольца несколько отличаются от поршневых колец с молибденовым покрытием.