Компрессионные кольца поршневые

Кольца компрессионные, маслосъемные, установка

Поршневые кольца

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.

slon0505 ›
Блог ›
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.

И пару видео в нагрузку))Приятного просмотра.

Устройство поршневых колец

Материал

Поршневые кольца изготавливают из высококачественного серого или ковкого чугуна, либо легированной стали. Теплостойкость и предел прочности стальных выше, зато чугунные дешевле и легко прирабатываются даже без покрытия. Стальные в любом случае покрывают антифрикционным приработочным, а часто и твёрдым покрытием.

Распространённый вариант — верхние стальные, с покрытием пористым хромом и оловом, вторые — с покрытием молибденом либо чугунные без покрытия, и маслосъёмные литые из чугуна или наборные стальные. В этом случае сначала прирабатывается более мягкий материал второго кольца (молибден), а дальше по мере приработки функции основного уплотнения переходят к более долговечному кольцу с хромовым покрытием. Ранние двигатели с ресурсом до промежуточного ремонта менее 100.000 км имели, как правило, чугунные кольца без покрытия. Ввиду низкой точности старых поколений колец, это было вынужденное решение. Кроме того, число колец (4-6) и даже их высота была в ранних конструкциях больше. Крупноразмерные двигатели имеют большее число колец в том числе и для улучшения теплоотвода от поршня.

Обычно верхнее кольцо и кольцо, регулирующее подачу смазки, покрываются хромом или оловом или нитридами, в частности, с помощью плазменного напыления или имеют керамическое покрытие, созданное с помощью PVD-процесса. Для улучшения параметров трения и ещё большего улучшения износостойкости, многие современные дизельные двигатели имеют верхнее поршневое кольцо, покрытое модифицированным пористым хромом с помощью процесса, известного как CKS или GDC, который имеет включения из частиц алмазов или оксида алюминия. В некоторых типах двигателей, с никасиловой или алюсиловой поверхностью цилиндра, применяют поршневые кольца без твёрдого покрытия. Нарушение этого условия ведёт к быстрому (обычно невосстановимому) разрушению блока.

Эпюра давления

Каждое кольцо получено путём точного разрезания чугунной или стальной трубы, причём заготовка овальная по сечению. Этим обеспечивается необходимая эпюра давления кольца на поверхность цилиндра, гарантирующая плотное прилегание и надёжную приработку кольца. В случае круглой заготовки после её разрезания, кольца бы не прилегали у замка. Фактически для нового кольца максимальное контактное давление достигается именно у замков, на некотором расстоянии от них минимально, и на остальной части имеет среднее значение. Кольца в канавках разворачивают таким образом, чтобы угол между замками был равным (для 3-х колец 120°, двух — через 180°). При этом эпюры давлений колец не будут совпадать, и износ по диаметру выравнивается. Кроме того, так получается лабиринт, уменьшающий прорыв газов.

Материал колец должен сохранять необходимую упругость, так как компрессионные кольца расширителей не имеют. Когда прилегание обеспечено, основной прижим кольцу обеспечивает газовое давление. Чтобы несколько уменьшить трение в таких условиях, кольца ранних моделей имели фаски по наружной поверхности сверху. В последние годы снижения трения достигают уменьшением высоты колец, но кольца всё равно имеют ориентацию для установки к днищу поршня (надпись «TOP»). Неправильная ориентация может увеличить расход масла на угар, а значит (в условиях контроля токсичности) сделает невозможным эксплуатацию двигателя.

Замок

Стык или замок между торцами поршневого кольца после монтажа в цилиндр сокращается до небольшой величины. Зазор в замке составляет для отечественных ДВС по инструкции примерно 0,45-0,6 мм на диаметр поршня 100 мм для верхних поршневых колец, у маслосъёмных — несколько выше. Монтажный зазор кольца у импортных двигателей меньше примерно в 2 раза, так как точностью изготовления обеспечено прилегание, а значит, защита от перегрева с возможным смыканием замка. Фактически, высокие зазоры, указанные в русских инструкциях моторов ВАЗ, ГАЗ, ИЖ, ЯМЗ и др. — не исправленный анахронизм, так как качество колец с момента разработки этих моторов намного улучшилось. В некоторых моторах ранее применялись косые замки колец, что не получило дальнейшего развития.

Компрессионные кольца

Основной функцией компрессионных (верхних) колец является герметизация камеры сгорания. Более трёх компрессионных колец на автомобильный поршень обычно не устанавливают, так как степень уплотнения поршня увеличивается незначительно, а потери на трение возрастают.

На двухтактных бензиновых двигателях с кривошипно-камерной продувкой устанавливают только компрессионные кольца. Кольцо в замке соответствует форме и расположению стопорного штифта (предохраняет от поломки кольца при провале замка в окно, устанавливается только на двигателях с окнами в цилиндре).

Обычно поперечное сечение компрессионного поршневого кольца имеет прямоугольную форму. Край кольца имеет либо цилиндрические профиль (верхнее уплотнительное кольцо), либо фаску, либо сужающуюся по натуральному логарифму форму (второе уплотнительное кольцо). При работе кольца несколько скручиваются благодаря зазору в канавке, что облегчает их приработку. Ранее активно применялись так называемые «минутные» кольца, но в последние годы преобладает бочкообразный профиль колец, обеспечивающий меньший расход масла.

Маслосъёмные кольца

В бензиновых двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой маслосъёмные кольца не нужны. Специальное масло сгорает в таких моторах вместе с топливом.

Маслосъёмные кольца предназначены для снятия лишнего моторного масла, которое смазывает поверхность цилиндра, поршня и уплотнительные кольца. Кольцо сконструировано таким образом, чтобы оно оставляло масляную плёнку толщиной лишь несколько микрометров на поверхности цилиндра, по мере того как поршень опускается. В канавке маслосъёмного кольца на поршне имеются радиальные отверстия или прорези, по которым снимаемое со стенки цилиндра масло возвращается в поддон.

Маслосъёмные кольца могут быть чугунные литые с прорезью (показано на нижней фотографии слева) или стальные составные с пружинами-расширителями. Составное кольцо состоит из тонких верхнего и нижнего кольца и двух расширителей (радиального и осевого). Бывает два исполнения таких расширителей: так называемая «лапша» и современные, с использованием фигурного расширителя. Составные стальные кольца несколько дешевле в производстве, поэтому встречаются чаще литых чугунных. Иногда на поршень устанавливается два маслосъёмных колец (литых или составных). В последнее время чугунные кольца также обычно снабжают пружинным расширителем для стабилизации прижима.

Поломка или износ колец вследствие нагрузок в цилиндре

Поршневые кольца подвергаются износу, когда они двигаются вверх и вниз вместе с поршнем в цилиндре. Износ происходит как вследствие взаимодействия с механическими деталями (стенками цилиндра и поршневыми канальцами), так и вследствие воздействия на них горячих отработанных газов. Имеет место также химический износ, так как в топливе (особенно в дизельном) содержится сера. Для минимизации степени износа их изготовляют из износостойких материалов, таких как чугун, и они имеют специальное покрытие, повышающее износостойкость. Имеются также данные, что износ колец пропорционален запылённости поступающего в цилиндр воздуха.

Кроме износа можно встретить поломку кольца на несколько частей, а также залегание (закоксовывание) из-за того, что в канавке скопились несгоревшие частицы сажи, масла и др. Основными причинами закоксовывания являются низкое качество применяемого масла, несвоевременная его замена с последующим осмолением, длительный повышенный расход масла из-за пропуска манжет клапанов, неправильного монтажа сборного маслосъёмного кольца, и других причин. В некоторых случаях (использование растительного масла вместо солярки, «партизанское» подсыпание сахара в бензин) виной залегания является топливо.

Потеря упругости колец обычно происходит ввиду нарушений режима обкатки и/или низкого качества поддельных поршневых колец. При плохом прилегании и больших прорывах горячих газов кольцо необратимо теряет упругость (садится), с дальнейшим последующим ростом прорыва газов и расхода масла.

В случае значительного износа поршневой канавки растёт риск поломки верхнего поршневого кольца. В цилиндре в результате объёмного сгорания (дизель) или детонации (искоровой) регулярно проходят ударные волны, которые вызывают вибрацию и соударение кольца с канавкой. Поэтому чем выше зазор, тем такие динамические нагрузки выше. Кроме того, по мере разнашивания канавок и увеличения зазора в стыке колец растёт расход масла. Таким образом, расход масла является ремонтным критерием для замены колец с поршнями и (во многих случаях) расточки блока.

Подгонка и монтаж новых поршневых колец

После длительной работы в цилиндре двигателя образуется овальный износ и ступенька в верхней части цилиндра, куда доходит верхнее кольцо. Изнашиваются как кольца, так и поршни, постепенно увеличивается прорыв газов и растёт расход масла. Наступает время промежуточного или капитального ремонта.

При капитальном ремонте изношенный цилиндр, как правило, подвергают растачиванию и/или хонингованию, устанавливаются новые ремонтные поршни несколько большего диаметра (на автомобильных двигателях следующий ремонтный размер, как правило, на 0,5 мм больше) и кольца ремонтного размера. В случае допустимого ещё состояния цилиндров замене подлежат кольца, иногда и поршни. Согласно современным инструкциям, установка колец следующего ремонта с подточкой не разрешена, однако в целях снижения затрат на ремонт применяется.

Замечание: при установке колец следующего ремонта нужно производить тщательную проверку прилегания по зеркалу. Обычно при этом приходится после подточки и выставления минимального зазора в стыке незначительно подрабатывать поршневое кольцо в районе замка по наружному диаметру(!), лучше наждачным бруском. Если это не проконтролировать, то некоторое время будет повышенный расход масла, и риск перегрева на обкатке увеличится.

Поршень должен иметь зазор в цилиндре согласно инструкции. Обычно смазанный моторным маслом поршень должен под своим весом легко опускаться в цилиндре (при комнатной температуре). Если поршень будет иметь более плотную посадку, то тепловое расширение вследствие нагревания приведёт к задиру и снижению ресурса мотора. С другой стороны, если зазор между поршнем и стенками цилиндра слишком велик, при работе будет прослушиваться стук поршня, и из-за повышенных зазоров в замках колец ресурс до ремонта уменьшится. Сами поршневые кольца, благодаря наличию зазора, могут в небольших пределах изменять свой диаметр, что позволяет избежать заклинивания. Этого небольшого изменения диаметра достаточно, чтобы компенсировать температурное расширение и сжатие. Если кольца без поршня вставить в новый или отремонтированный цилиндр, то зазор должен составить около 0,2—0,4 мм (более конкретные данные — см. инструкцию по эксплуатации). Если зазор меньше — кольца подтачивают надфилем, если больше — устанавливают из большего ремонтного набора.

Над канавками кольца проводят, подкладывая под них тонкие металлические пластинки (несколько штук по длине окружности), либо используют съёмник колец. При установке поршня с кольцами в цилиндр, последние сжимают с помощью оправки или самодельного жестяного хомута.

Оставьте комментарий