Кольца поршневые в работе двс

 

Для более эффективного использования энергии газов при сгорании воздушно-топливной смеси, необходимо максимально герметизировать пару «поршень–цилиндр». Поскольку размеры поршней и гильз изменяются из-за разницы температур при работе двигателя (верхняя или нижняя части цилиндра, разогретый или холодный двигатель), уменьшение зазора между этими деталями до нуля может привести к тому, что, нагреваясь, при плотной подгонке поршни и цилиндры могут заклинить. Эту задачу решили, увеличив зазор, а между поршнем и цилиндром установили особый уплотнительный элемент – разрезные упругие, так называемые, поршневые кольца.

 

Эти кольца в работе ДВС выполняют три очень важные функции.

• Во-первых, обеспечивают максимально возможную герметизацию камеры сгорания. Это препятствует проникновению газов в картер двигателя, оптимизирует использование энергии газов, отражается на характеристиках мотора (мощности, крутящем моменте, расходе топлива).

• Во-вторых, при помощи колец отводится тепло от поршня к поверхности цилиндра, которую охлаждает жидкость или поток воздуха.

• В-третьих, они служат для оптимизации смазки рабочих поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы (поршней, колец, гильз).

Для эффективного решения этих задач одним кольцом не обойтись, поэтому на поршень надевается несколько колец – от одного до четырех (обычно – три). В такой многокольцевой конструкции выполнение функций распределили: компрессионным кольцам «поручили» герметизацию и отвод тепла, а масло-съемным - смазку цилиндров.

 

Что держит компрессию?

 

Кольца на поршне расположены рядом, но работать им приходится в разных условиях, а значит, требования к их свойствам отличаются.

 

Самую большую нагрузку несет верхнее кольцо. Оно выдерживает очень высокую температуру (200-250° С) и немалое давление газов (5,5-6,0 МПа), противостоит химическому воздействию продуктов сгорания, работает при недостаточной смазке (зона верхней мертвой точки остается практически без смазки, а тонкая масляная пленка легко может быть продавлена из-за снижения скорости перемещения поршня вблизи верхней мертвой точки).  По этой причине верхние кольца изготавливаются из высокопрочных материалов – чугуна (серого и черного) и стали, легированных никелем, хромом или молибденом. Кроме того, на рабочую поверхность колец электролитическим способом наносят износостойкие покрытия такие, как хром, молибден, хром-молибден, хром-керамика. Высокопрочные композитные покрытия получают так же, с использованием плазменного напыления. Как верхние, так и нижние кольца так же подвергаются фосфатированию или нитрированию.

 

Второе компрессионное кольцо работает в менее жестких условиях – при более низких температуре и давлении. В связи с чем, нецелесообразно придавать ему повышенную износостойкость, как верхнему. Его делают более мягким, в результате чего меньше изнашиваются гильзы цилиндра, за счет этого увеличивается их ресурс. Помимо компрессионных, второе кольцо, зачастую выполняет и масло-съемные функции. Для этого его профилю придается специальная форма. Для изготовления компрессионных колец используют чугун и сталь, а также металлокерамику. Металлокерамические кольца производят в нашей стране, но найти их в продаже очень нелегко.

 

Необходимо добавить пару слов о толщине компрессионных колец. Прежде она колебалась от 1,75 до 2,0 мм (у верхних) и 2,0-2,5 мм (у нижних), однако в современном моторостроении появились тенденции к уменьшению их толщины (верхние до 1,2-1,5 мм, нижние до 1,75-2,0 мм), с целью снижения их веса. Таким способом конструкторы стараются уменьшить потери мощности при трении и преодолении сил инерции, снизить износ, увеличивая ресурс мотора. Это же призвано снизить возникновение задиров и перегрев при обкатке.

 

Чем дозируется смазка?

 

Масло-съемные кольца предназначены для предотвращения проникновения масла в камеру сгорания и для дозирования количества масла, остающегося на стенках цилиндров, и определяющего условия нормальной работы поршня и компрессионных колец, а также влияющего на характеристики двигателя и быстроту износа деталей. Такие кольца делаются цельными и сборными, состоящими из нескольких деталей таких, как расширительная пружина и одно толстое профилированное, или два тонких плоских кольца.

 

В прежние времена масло-съемные кольца делались в основном цельно-чугунными, однако сейчас их место заняли сборные стальные. Производство сборных колец обходится дешевле, они в 1,5-2 раза легче, чем чугунные, более надежны, долговечны и эффективны, за счет лучшего прилегания к стенкам цилиндров. Такие кольца и их пружины-расширители изготавливаются из нержавеющей или углеродистой стали. Для повышения износостойкости рабочей поверхности масло-съемных колец, как и компрессионных, на них наносят слой хрома. Дополнительно обрабатывают (шлифуют, полируют, хромируют) также пружины-расширители.

 

Так ли все просто?

 

После столь краткого ознакомления с конструкцией поршневых колец в работе ДВС, наверняка, покажется, что эту деталь изготовить достаточно не трудно. Но это мнение ошибочно. Доказательством тому служит любопытный факт – ведущими мировыми производителями этих колец отбраковывается до тридцати процентов продукции. Это происходит из-за исключительно высоких требований ко всем без исключения характеристикам этих небольших деталей. Качество поршневых колец проверяется по многим показателям – твердости, геометрии (форме, размерам), упругости, качеству обработки и нанесения покрытий. Надо заметить, что у некоторых производителей колец из стран СНГ процент брака еще выше, и такая вот некачественная продукция зачастую нелегальными путями попадает в продажу.

 

Компрессионники.

Особенности распространенных конструкций.

 

Цилиндрическая рабочая поверхность (прямоугольное сечение). Старейшая конструкция, требующая длительного периода приработки, что ведет к повышенному расходу масла, нагаро-образованию и дымлению из сапуна.

 

Скошенные верхняя и нижняя плоскости. Особенность такой конструкции снижает склонность колец к залеганию в результате повышенного нагаро-образования. Их используют, как верхние компрессионные кольца, чаще всего в дизельных двигателях.

 

Конусы или цилиндры с нижним наружным вырезом (скребковые). Их используют, чтобы улучшить смазку при движении поршня к верхней мертвой точке (конические), и для более качественного снятия масла, когда поршень движется к нижней мертвой точке. Нередко их называют комбинированными, по причине их двойной функции - масло-съемной и компрессионной.

 

Цилиндры или конусы с внутренним верхним вырезом. Скручиваясь в поперечной плоскости и прижимаясь к стенке цилиндров одной кромкой, такие кольца относительно быстро прирабатываются. Но отвод тепла от поршня хуже из-за уменьшенной площади контакта кольца с поверхностью цилиндра. Такие кольца меньше подвержены поперечным вибрациям, нежели «минутные». Могут работать в качестве, как первого, так и второго компрессионного кольца.

 

Полностью или частично коническая рабочая поверхность. Такие кольца характеризует ускоренная приработка и малый расход масла в процессе обкатки, в связи с большим удельным давлением на стенки цилиндров. Нередко их называют «минутными». Чаще всего их используют в качестве вторых компрессионных колец, редко – первых.

 

Конусы с внутренним нижним вырезом. Данной конструкцией «обратного кручения» обеспечивается ускоренная приработка, а соприкасаясь верхней внутренней кромкой с канавкой, препятствует проникновению масла в надкольцевой объем. Эти кольца используются, как вторые компрессионные.

 

Цилиндрические с износостойким покрытием. Их часто называют «биметаллическими» – с целью увеличения ресурса двигателя рабочая поверхность кольца покрывается антифрикционным износостойким материалом (хромом, хром - керамикой, молибденом). Чаще всего таким способом улучшаются показатели верхних компрессионных колец.

 

Маслосъемники.

Особенности распространенных конструкций.

 

Шлицованные. Самая ранняя цельная конструкция с внешними выступами цилиндрической формы и дренажными отверстиями по центру. Отличаются малым радиальным давлением, и плохой приспосабливаемостью к геометрии неравномерно изношенных цилиндров. Для современных двигателей используются редко.

 

Шлицованные с фасками. Фаски сделаны у цилиндрических внешних краев (варианты под разными углами). Бывают как цельными, так и со спиральной пружиной-расширителем в качестве дополнения. На рабочую кромку иногда наносится износостойкое покрытие.

 

Сборные. Представляют собой два плоских стальных кольца с П-образной пружиной -расширителем, устанавливаемой между ними. Рабочая кромка может быть покрыта слоем хрома.

 

Защитные покрытия.

Свойства.

 

Хромирование. Наносимое гальваническим способом покрытие из твердого хрома проявляет высокие антифрикционные свойства и износостойкость, отличается устойчивостью к прижогам. Тесты показали, что с износом верхних компрессионных колец с хромовым покрытием, на 50% снижается износ рабочей поверхности цилиндра. Используется твердое или пористое хромовое покрытие. Накапливая запас масла в мелких порах, способствует повышению антифрикционных свойств и снижению износа.

 

Фосфатирование и ферро-оксидирование. Такие способы покрытия колец бывают химическими, либо термохимическими. В случае фосфатирования, поверхность покрывают кристаллы фосфата, при ферро-оксидировании – окись железа. Слой фосфата изнашивается быстрее основного материала, сокращая время приработки. А благодаря твердым частицам окислов железа создается эффект «притирочной пасты». Фосфатное и ферро-оксидное покрытия, наряду с азотированным слоем, устойчивы к прижогам в случаях перегрева двигателя.

 

Нитрирование. В процессе термохимической обработки при температуре 500° С поверхность насыщается азотом и углеродом. Такой способ применяется для достижения повышенной износостойкости колец, и чаще всего используется для улучшения технических показателей стальных колец с большим содержанием хрома.