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
Поршневые кольца — схема
1. Первое (верхнее) 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
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.
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
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.
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.
Прижатие компрессионных колец к стенкам гильзы цилиндра
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.
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.
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.
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.
