Поршневые кольца: какую функцию они выполняют?
/>
Поршневые кольца являются неотъемлемым элементом любого двигателя. Они представляют собой незамкнутные кольца, которые установлены в специальные канавки на внешних поверхностях поршней с очень маленьким зазором. Рассмотрим основные виды поршневых колец, их назначение и обслуживание.
Виды поршневых колец
Поршневые кольца бывают:
Компрессионные кольца обеспечивают герметичность камеры сгорания. Обычно на поршень устанавливают не более 3 таких колец, так как при этом возрастают потери на трение, а степень уплотнения поршня увеличивается не намного. Различают верхнее и второе компрессионные кольца.
У верхнего достаточно много различных вариаций. Например, такое кольцо может иметь преднамеренное перекручивание, когда нижняя и верхняя поверхности детали имеют небольшой наклон в канавках (кроме краев рабочей поверхности, которые взаимодействуют с отверстием цилиндра). Такая конструкция позволяет ускорить приработку поверхностей колец и стенок цилиндра, а также обеспечить уплотнение самой детали в верхней и нижней части посадочной канавки.
Помимо плоских и перекрученных колец существуют изделия с L-образным участком. Их уплотнительная способность зависит от силы давления газов, которая действует на заднюю часть большого выступа, имеющего форму буквы L. При высоком давлении в рабочем цилиндре эти кольца увеличивают усилие, прикладываемое к стенкам, например, после сгорания топливно-воздушной смеси или в такте сжатия. Когда давление в цилиндре невысокое, кольцо ослабляется, тем самым снижая износ и трение.
Второе компрессионное кольцо обеспечивает дополнительное уплотнение после маслосъемного. Оно служит для того, чтобы газы, идущие мимо верхнего кольца, не попадали в картер. Нагрузки и температуры в зоне второго кольца ниже, поэтому его конструкция и материалы имеют меньшее значение. Еще одной функцией второго компрессионного кольца является предотвращение детонации и проникновения излишков моторного масла в камеру сгорания.
Некоторые из таких деталей имеют скошенную конструкцию. Вверх они двигаются по слою масла, а при движении вниз удаляют его излишки.
Существует новая конструкция второго компрессионного кольца – без зазора. Такие детали ускоряют приработку двигателя при обкатке, а также незначительно повышают мощность силового агрегата на стенде. Это достигается благодаря максимальному уменьшению видимого зазора для прохождения газов. Потребность в таких кольцах обусловлена работоспособностью остальных колец. Например, если верхнее компрессионное кольцо обеспечивает достаточную герметизацию, то важность второго беззазорного кольца уменьшается.
Маслосъемные кольца снимают лишнее моторное масло, которое смазывает уплотнительные кольца, поршень и поверхность цилиндра. Они сконструированы таким образом, чтобы после их прохода на поверхностях оставалась небольшая масляная пленка толщиной в несколько микрон. В канавках маслосъемных колец предусмотрены прорези или радиальные отверстия, по которым излишки моторного масла возвращаются в поддон.
Выделяют 2 вида маслосъемных колец: составные с пружинами-расширителями и чугунные литые с прорезью. Составные включают два тонких кольца (верхнее и нижнее), а также осевой и радиальный расширители. Такие модели дешевле в производстве, поэтому их устанавливают чаще, чем литые чугунные. В некоторых случаях на поршне имеются два литых или составных кольца. Чугунные кольца для стабилизации прижима снабжаются специальным пружинным расширителем.
Функции поршневых колец
Подводя итог вышесказанному, можно выделить следующие функции поршневых колец:
- Компрессия: кольца обеспечивают герметичность камеры сгорания, и газы, возникающие при сгорании топливно-воздушной смеси, не проникают через зазоры между цилиндром и поршнем; это позволяет эффективнее сжимать топливо
- Экономия расхода масла: она обеспечивается благодаря маслосъемным кольцам, которые убирают часть смазочного материала со стенок цилиндра и направляют их обратно в картер
- Теплообмен: поршневые кольца отводят тепло, которое возникает при сгорании топливно-воздушной смеси, от поршня к стенкам цилиндра; в результате двигатель защищен от перегрева
- Снижение горизонтальных колебаний поршня: благодаря плотной посадке кольца не дают поршню «гулять» в горизонтальном направлении, что предотвращает износ цилиндро-поршневой группы двигателя.
Из чего изготовлены кольца?
Как правило для производства поршневых колец используется высококачественный серый или ковкий чугун, а также легированная сталь. У последних предел прочности и теплостойкость выше, но чугунные дешевле. Кроме того, они обеспечивают более легкую и быструю приработку.
Если кольца стальные, то чаще всего их обрабатывают специальными материалами. Верхние – оловом или пористым хромом, вторые – молибденовым покрытием, которое наносят методом легирования. После установки таких колец вначале происходит приработка детали с менее твердым молибденовым покрытием, а затем функции уплотнения переходят к более долговечному хромированному кольцу.
Ранее в двигателях, ресурс обслуживания которых менее 100 тыс. км, использовались чугунные кольца без какого-либо покрытия. Ввиду низкой точности старых деталей это решение было вынужденным. Кроме того, количество колец варьировалось от 4 до 6 штук, их высота была больше современных.
На двигателях последнего поколения большим числом колец оснащаются только крупногабаритные модификации – для более эффективного отвода тепла от поршня.
Типичные проблемы поршневых колец
При износе поршневых колец увеличивается зазор между поверхностью детали и стенками цилиндра. При воспламенении топливно-воздушной смеси отработанные газы могут проникать в масляный картер, тем самым снижая эффективность работы двигателя. Подобные пропуски также влияют на срок службы моторного масла и его рабочие характеристики.
При залегании колец может произойти то же самое. Раскаленные газы, проникающие из камеры сгорания, способствуют разрушению масла и образованию отложений в кольцевых каналах. Это приводит к залеганию колец в канавках, что влечет за собой снижение их подвижности, образование зазора между стенкой цилиндра и кольцами.
Последствия износа поршневых колец легко заметить без разборки двигателя. При увеличенном потреблении масла из выхлопной трубы выходит синий дым, означающий, что моторное масло горит. Особенно это заметно при запуске двигателя, до того, как он наберет рабочую температуру и кольца расширятся в цилиндре.
Вместе с поршневыми кольцами изнашиваются и сами поршни в области юбок. Образованию задиров наиболее подвержены детали без специального покрытия. Раньше его могли наносить только на заводе-изготовителе, сегодня такая возможность есть у любого автовладельца.
В России покрытие для поршней выпускает компания «Моденжи».
MODENGY Для деталей ДВС изготовлено на основе дисульфида молибдена и графита. Оно предотвращает появление задиров на юбках поршней, позволяет снизить шум при работе двигателя, повысить его КПД и уменьшить расхода топлива.
Благодаря удобной аэрозольной фасовке с нанесением покрытия можно справиться без специализированного оборудования. Достаточно тщательно очистить обрабатываемые поверхности и выдержать время полимеризации: 12 часов при комнатной температуре.
Замена поршневых колец
Замена изношенных поршневых колец – процедура достаточно простая. Для снятия кольца нужно развести его края в области замка до тех пор, пока оно не выйдет из канавки. Это можно сделать как специальными щипцами, так и небольшой плоской отверткой.
Далее нужно очистить канавки поршня от нагара. Если этого не сделать, то после замены колец установить поршень обратно в цилиндр будет сложно. Для удаления нагара можно воспользоваться специальным инструментом или старым компрессионным кольцом, сломанным на две части.
После этого следует ознакомиться с инструкцией по установки колец, которая идет в комплекте с новыми деталями. В ней содержится информация о последовательности их установки и правильном расположении. Помимо этого указывается верхняя и нижняя часть кольца. Новую деталь следует устанавливать специальной метке.
После очистки канавок от нагара проверьте их радиусы и боковые поверхности на предмет повреждений.
Установку поршневых колец с помощью специального цангового устройства начинайте с нижнего. Обязательно контролируйте свои усилия во избежание деформации новых деталей. Кольца с маркировкой «TOP» располагайте маркированной стороной в сторону днища поршня.
Кольца с эспандерными пружинами устанавливайте таким образом, чтобы место стыка было размещено с учетом рекомендованного смещения на 180° относительно стыка поршневого кольца.
После установки проверьте зазоры боковых поверхностей. Они должны составлять до 0,1 мм. Если это значение больше, следует менять сами поршни.
Во время монтажа также учитывайте степень износа зеркала цилиндра. Если она не укладывается в 0,1 мм, то блок цилиндров следует расточить под размер ремонтных поршней или перегильзовать.
После замены колец произведите обкатку двигателя в течение 3-5 тыс. км. Обкатка включает в себя стандартные действия: прогрев двигателя, запрет на движение с высокими оборотами, длительный простой на холостых оборотах, движение на повышенных передачах с малой скоростью и т.д. После обкатки в течение 5-10 тыс. км не следует давать большие нагрузки на двигатель.
Кольца поршневой — что это, зачем они нужны и как работают?
— специально изготовленные металлические детали в форме окружности, которые одеваются на поршень, а цель поршневых колец — придание необходимого радиального давления для поддержания уплотнения между поршнем и цилиндром. Поршневые кольца, как правило, изготавливаются из такого сплава чугуна, который позволяет им быть упругими и в то же время пластичными, а также служить хорошими теплопроводниками.
Кольца одеваются на поршень в специально проделанный в нём паз. Сами кольца представляют собой незамкнутую окружность, что позволяет их одевать и снимать с поршня, не ломая их.
Почти во всех двигателях установлены 2 типа поршневых колец в зависимости от функции, которую они выполняют:
- Компрессионные кольца поршневой вставляются в специальные пазы в верхней части поршня. Их, как правило, насчитывается от 3 до 7 на одном поршне. Эти кольца главным образом служат для уплотнения между стенками цилиндра и поршнем и предотвращают проникновение смеси топлива и воздуха в такте сгорания в картер двигателя. Кроме того, ещё одна роль компрессионных колец поршневой заключается в передаче тепла от поршня к гильзе цилиндра, а также поглощения части поршневых колебаний из-за боковой тяги.
- Маслосъёмные кольца — это немного другие кольца поршневой, которые находятся ниже компрессионных колец. Маслосъёмные кольца обеспечивают идеальное смазывание стенки цилиндра, снимая бóльшую часть масла с поверхности гильзы в то время, когда поршень движется вниз. Это делается для того, чтобы свести к минимуму попадание масла в камеру сгорания и, как следствие, его расход.
Кольца поршневой группы очень упругие. Они самостоятельно регулируют свой диаметр, прижимаясь к цилиндру и в то же время оставаясь в своих пазах. Они также сводят к минимуму площадь контакта между поршнем и цилиндром и, таким образом, значительно уменьшают трение, которое в противном случае привело бы к износу поршневой и снижению КПД работы двигателя за счёт большого сопротивления, создаваемого эти трением.
Зачем нужны поршневые кольца?
Кольца поршневой позволяют использовать в поршнях очень лёгкие материалы, такие как алюминий, потому что среди требований к материалу поршней отпадает стойкость к трению, ведь его выполняют кольцо.
Только представьте, если бы у Вашего автомобиля в моторе не было бы колец, и поршень бы тёрся напрямую о стенки цилиндра. Что бы было тогда? Ну, во-первых, поршень должен бы был иметь тот же размер, что и цилиндры. Но тут нас ждала бы большая проблема: при нагреве поршень расширяется в диаметре, и, таким образом, он мог бы застрять в цилиндре, что привело бы к дорогостоящему ремонту. Во-вторых, такой поршень очень быстро бы вызывал всё больше и больше потери компрессии за счёт быстрого износа. Именно поэтому кольца поршневой выполняют такую важную роль.
Процесс монтажа кольца на поршень
Подводя итог, отметим, что кольца в двигателе выполняют 4 главные функции:
Поршневые кольца двигателя. Основное назначение.
Поршневые кольца — это незамкнутые кольца, которые с небольшим зазором (до нескольких сотых долей миллиметра) посажены в канавках на внешних поверхностях поршней в двигателях внутреннего сгорания. В данной статье мы поговорим про поршневые кольца двигателя, какие они бывают и основное предназначение колец двигателя.
Поршневые кольца по назначению разделяют на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца предотвращают порыв газов из камеры сгорания в картер. Наружный диаметр кольца в свободном состоянии больше внутреннего диаметра цилиндра, поэтому часть кольца вырезана. Вырез в поршневом кольце называют замком.
Маслосъемные кольца препятствуют проникновению масла из картера в камеру сгорания, снимая излишки масла со стенки цилиндра. Их устанавливают ниже уровня компрессионных. Они в отличии от компрессионных колец имеют сквозные прорези.
Из чего делают кольца двигателя?
Одним из первых эффективных материалов, использованных для поршневых колец, был ковкий чугун. Он сочетается с чугуном, используемым в блоках цилиндров, а его пористая структура позволяет ему удерживать масло, уменьшая износ. Широко используется также производная от ковкого чугуна, известная как пластичный чугун. Он обладает большинством качеств чугуна, а кроме этого, он может упруго деформироваться, что облегчает установку колец.
Поршневые кольца, сделанные из нержавеющей стали, являются усовершенствованием хромированных чугунных колец. По сути, нержавеющая сталь является материалом, в который входит большое количество хрома. И нет ничего странного в том, что такие кольца имеют свойства, аналогичные свойствам хромированных колец. Нержавеющая сталь также имеет способность противостоять высокой температуре, превосходящую хромированный чугун.
При попытках увеличения срока службы колец и обеспечения быстрой их приработки, были созданы молибденовые кольца. Такое кольцо является обычно кольцом с основой из чугуна с молибденовым покрытием поверхности. Молибден обладает многими противоизносными свойствами хрома, а в некоторых случаях он может иметь даже большую сопротивляемость износу. С течением времени молибденовые кольца стали основными в двигателях, так как они долговечные, относительно легко прирабатываются и более надежные.
Верхние компрессионные кольца двигателя
Существует много конфигураций верхнего компрессионного кольца и различия между некоторыми трудно уловимы. К примеру, кольцо может иметь преднамеренное небольшое перекручивание. Другими словами, верхняя и нижняя поверхности кольца не лежат плоско в канавке для кольца, а слегка наклонены, и только верхний или нижний край лицевой (рабочей) поверхности контактирует с отверстием цилиндра.
Кольца сконструированы таким образом, чтобы ускорить приработку поверхностей поршневых колец и стенок цилиндров и помогать уплотнению кольца в верхней и нижней частях канавки для кольца. Величина перекручивания кольца очень мала и оно обычно делается путем стачивания фаски на внутреннем крае кольца.
Другим важным типом компрессионного кольца, хотя и не такого, как обычное плоское или перекрученное кольцо, является поршневое кольцо с L-образным участком, чья способность к уплотнению зависит от усилия, развиваемого давлением газов, действующих на заднюю сторону большого выступа в форме буквы «L». Только эти кольца развивают дополнительное усилие, прикладываемое к стенкам цилиндров, когда в цилиндре имеется высокое давление, например, в такте сжатия и особенно в момент после сгорания рабочей смеси. Конечно, когда высокого давления в цилиндре нет, кольцо ослабляется, уменьшая трение и износ.
Второе компрессионное и маслосъемное кольца двигателя
Основная задача второго компрессионного кольца — обеспечение дополнительного уплотнения после верхнего маслосъемного кольца. Из-за этого второе кольцо обычно «следит» только за газами, которые проходят мимо верхнего кольца, а давление и температура отличаются от значений для верхнего компрессионного кольца. Соответственно материалы и конструкция второго кольца являются менее критичными.
Однако, второе кольцо имеет важную дополнительную функцию: оно помогает маслосъемному кольцу, действуя как «скребок», предотвращает попадание излишнего масла в камеру сгорания и возникновение детонации.
Некоторые вторые компрессионные кольца специально сделаны скошенными, чтобы содействовать работе маслосъемного кольца, а скос наименьший у верхнего края кольца. При этом оно стремится двигаться поверх масла при движении вверх в цилиндре и будет удалять масло при движении вниз. Если удаление масла является проблемой, то такой тип кольца принудительно удаляет масло, хотя второе кольцо с плоской поверхностью вместе с маслосъемным кольцом «нормального» усилия — это все, что нужно.
Второе компрессионное кольцо без зазора является новой конструкцией. Используемый здесь термин «без зазора» в чем-то неправильный, т. к. вообще невозможно изготовить кольцо полностью без зазора — его будет невозможно установить на поршень, и кольцо будет нерегулируемым даже при самых малых отклонениях формы отверстия цилиндра от окружности. Не обращая внимания на это, кольцо можно сделать без видимого зазора для газов, проходящих мимо кольца. При использовании этих колец двигатель прирабатывается быстрее в процессе обкатки, и он выдает немного большую мощность при проверке на стенде.
Потребность в беззазорных кольцах зависит в той или иной степени от того, как работают другие кольца. Если верхнее компрессионное кольцо обеспечивает качественное уплотнение, то беззазорное второе компрессионное кольцо менее важно. Однако, в реальности дело обстоит не так и второе беззазорное компрессионное кольцо может быть реальным средством при получении большей мощности на коленчатом валу.
Маслосъемные кольца очень важны для функционирования двигателей, особенно при использовании низкооктанового топлива. Моторное масло, которое остается в камере сгорания, будет уменьшать октановое число топлива, что может привести к детонации. Оно также может загрязнять камеры сгорания и головки поршней, что обязательно вызовет снижение мощности двигателя.