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:

 Обеспечение герметичности между поршнем и стенками цилиндра. Регулирование количества масла, необходимого для смазывания соединения поршня и цилиндра, и предотвращения попадания масла в камеру сгорания двигателя. 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: Компрессионные,маслосъёмные.

gZQ1Y9OHUNk

1-Компрессионное кольцо

1.1-Молибденовая противоизносная вставка

2-Второе компрессионное кольцо

3-Маслосъёмное кольцо

3.1. Верхняя маслосъёмная пластина

3.2. Тангенциальный расширитель

3.3. Нижняя маслосъёмная пластина

ri7oswZAb o

 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.

Поршневые кольца - терминология

  •  Концевой зазор в свободном состоянии
  • Концевой зазор в сжатом состоянии
  • Торсионная закрутка кольца после сжатия
  • Компрессионные поршневые кольца

JGo0 p lp1cwxwPvDum40wJxwarQ 1BbQ

 

 Первое (верхнее) компрессионное 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. 

 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.

rFz imLY8kc

 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.

mtJcstK43aQ

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

e8LVbMe68xA

 Прижатие компрессионных колец к стенкам гильзы цилиндра

YudDkuPLDj0 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.

eO11L FmTjg

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.

 2x1swYHXCQzR0WyFn1Jgw

 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 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.

ts2AxrVgaak

 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.

9u1tdKYIqcg3hc2gWjRh0Y

 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.

 Составные трёхкомпонентные маслосъёмные кольца оставные маслосъёмные кольца с различными типами расширителей

txJVI8ItCZM

 Различные типы тангенциальных расширителей составных маслосъёмных колец

aySkGIqRBQw

 

 

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.

 Неисправности поршневых колец

 Основной неисправностью поршневых колец является их износ в процессе продолжительной эксплуатации. Ресурс поршневых колец двигателей отечественных автомобилей приблизительно равен 150000 км. (Вернее состояние соединения между поршневыми кольцами и стенками цилиндров). Кольца современных автомобилей передовых производителей могут служить до 300000 км, правда, иногда приходится слышать от владельцев, что двигатель их автомобиля уже прошёл 500000 км. Пробег лучших грузовых автомобилей-тягачей может быть более 1000000 км. Но эти пробеги могут быть значительно уменьшены неправильной эксплуатацией. К ускоренному износу поршневых колец приводит несвоевременная замена масла в двигателе, использование не подходящего для этого двигателя или загрязнённого мала. Несвоевременная замена воздушного фильтра и, тем более, эксплуатация автомобиля вообще без воздушного фильтра или езда по пыльным дорогам. Применение некачественного топлива или несвоевременная замена топливного фильтра. К тяжёлым условиям можно отнести постоянную эксплуатацию автомобиля в городских пробках. Очень вредны для колец кратковременные поездки, при которых двигатель не успевает прогреться до нормальной рабочей температуры, особенно в зимнее время. Не допускается эксплуатация двигателя с высокими нагрузками, до его полного прогрева. Система управления двигателя некоторых высокофорсированных автомобилей не позволяет двигателю развивать полную мощность, пока температура масла в двигателе не достигнет установленного предела. Именно масла, а не охлаждающей жидкости системы охлаждения.

 Бывают случаи быстрого, лавинообразного разрушения поршневых колец. Это может произойти или из-за сильного перегрева двигателя или в результате работы двигателя в условиях недостаточной смазки. В таких случаях возможно заклинивание колец в цилиндре, образование задиров на стенках цилиндра и поршне, разрушение поршневых колец и перегородок между кольцевыми канавками поршня. Такое состояние двигателя диагностируется достаточно легко. Признаком недопустимого износа поршневых колец является повышенное потребление масла. Если двигатель малолитражного автомобиля расходует более 0,5 литра масла на 1000 км и при этом при трогании с места после остановки перед светофором наблюдается появление из системы выпуска сизого дыма, можно предположить что поршневые кольца двигателя имеют недопустимый износ. В этом случае может наблюдаться повышенное давление картерных газов двигателя, которое можно определить, отсоединив шланг системы принудительной вентиляции картера двигателя. Также о большом давлении картерных газов свидетельствуют протечки масла через сальники, прокладки и другие уплотнения двигателя.

oYhxrWUYwqY

 

Для более точного диагностирования необходимо проверить компрессию в цилиндрах двигателя и проверить состояние цилиндропоршневой группы методом утечки сжатого воздуха.

Прямоугольное поршневое кольцо

Первоначально компрессионное поршневое кольцо в разрезе имело достаточно простую прямоугольную форму, но со временем форма колец стала значительно сложнее. Самый распространённый вид современных компрессионных поршневых колец.

Верхнее компрессионное кольцо

Первое (верхнее) компрессионное кольцо

Поршневые кольца -

Второе компрессионное кольцо

Второе компрессионное кольцо

Кольцо имеет наружную (рабочую) поверхность, непосредственно соприкасающуюся со стенками цилиндра, внутреннюю поверхность, направленную в сторону центра окружности кольца и две боковые поверхности, верхнюю и нижнюю. В результате эволюции двигателя форма разреза кольца перестала быть прямоугольной. Для обеспечения большей долговечности кольца, его более быстрой притирке к поверхности цилиндра, уменьшения вероятности закоксовывания колец в канавках поршня и для обеспечения других рабочих характеристик кольца форма разреза кольца стала довольно сложной и очень разнообразной.

Прочитано 3652 раз

Понравилось?! Не забудь поделиться! ;-)

    

Есть что рассказать? Тогда вам сюда...

--->

Мы в соцсетях