Как называется зазор в поршневом кольце – Какой зазор должен быть на поршневых кольцах — Интернет-магазин мототехники, магазин по продаже квадрациклов, скутеров, мотоциклов, снегоходов, продажа мототехники в Санкт-Петербурге

Как называется зазор в поршневом кольце – Какой зазор должен быть на поршневых кольцах

Содержание

Тепловой зазор поршневых колец

Принцип действия ДВС достаточно прост – сгорание топлива в нужное время в нужном цилиндре обеспечивает высвобождение энергии и ее преобразование в механическую. Но вот для его реализации требуются материалы с заданными свойствами, сложное оборудование, позволяющее получать детали требуемой формы и с заданными размерами и допусками, учет изменений характеристик узлов при различных режимах работы мотора. Одним из факторов, обеспечивающих функционирование ДВС, является необходимость выдерживать тепловой зазор поршневых колец.

Зачем нужен зазор в замке поршневых колец?

Первоначально давайте определимся, о чем идет речь. Внешний вид поршневого кольца показан на фото ниже:

Конструктивно у ДВС внутри цилиндра перемещается поршень. Именно он воспринимает избыточное давление, возникающее при сгорании топлива, и передает его на коленвал. В этом обманчиво простом описании заложены, как минимум, несколько особенностей:

между стенкой цилиндра и движущимся поршнем надо выдержать зазор, позволяющий полностью использовать величину возникающего избыточного давления в камере сгорания;
при этом необходимо обеспечить их минимальный контакт для снижения износа деталей;
масло, используемое для смазки, должно создавать нормальные условия работы отдельных деталей, и в то же время надо исключить его попадание в камеру сгорания;
необходимо обеспечить отвод тепла от поршня на стенки блока цилиндров.

Вот все эти задачи и решают поршневые кольца. Условия, в которых им приходится работать, очень сложные – значительный нагрев и механические нагрузки. Для компенсации воздействия температуры и предусматривается зазор поршневых колец.

Как работают и зачем нужны тепловые зазоры поршневых колец

Существует два типа колец – уплотнительные (компрессионные) и маслосъемные, оба показаны на приведенном рисунке

Само название говорит об их назначении:

уплотнительные служат для обеспечения герметичности камеры сгорания, предупреждая проникновение из нее продуктов сгорания в картер двигателя;
маслосъемные предназначены для удаления излишней смазки со стен цилиндра.

На старых, малооборотистых двигателях их стояло по пять-шесть штук (в зависимости от марки мотора), но на современных ДВС обычно используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Несмотря на различие в конструкции и назначении, у них есть одно общее – замок. Фактически так называется имеющийся промежуток между концами незамкнутой окружности. Говоря о замке, стоит помнить, что одно из его назначений – компенсировать тепловые расширения, возникающие в кольцах во время их работы.

Большинство материалов при нагревании удлиняется. При монолитной конструкции кольца, установленного в цилиндр двигателя, будут возникать напряжения, вызывающие его деформацию. Избежать этого позволяет свободное пространство между концами на кольцах.

Каким может быть допустимый зазор? При установке на поршень его величина в замке должна составлять от 0,6 до 0,3 мм.

Кроме того, надо знать, что требуется выдерживать допустимый боковой зазор между кольцом и стенкой. Необходимо обеспечить его значение в диапазоне от 0,08 до 0,04 мм.

Зачем это нужно? Для понимания того, как работает уплотнительное кольцо, приведен рисунок ниже.

Под воздействием давления отработанные газы, проходя в канавке между поршнем и кольцом, воздействуют с его внутренней стороны и увеличивают усилие прижима к цилиндру. Именно для подобной цели нужен зазор, в том числе тепловой, разделяющий боковые поверхности этих элементов.

Таким образом, обеспечив в замке допустимый зазор при установке колец (между их концами, а также боковой поверхностью и поршнем), будут созданы условия для нормальной работы мотора в значительном интервале температур. Кроме того, этому способствует и правильная взаимная их установка, показанная на рисунке ниже. Главное – обеспечивается разнесенное положение замков между собой.

Маслосъемные кольца ставятся ниже компрессионных. Их назначение – удалять со стенки цилиндра излишки масла. Его недостаток приведет к повышенному износу деталей, а избыток – к попаданию в камеру сгорания и образованию там нагара. Как работает такое кольцо, показано ниже.

Излишки масла снимаются со стенок цилиндра и отводятся в картер двигателя.
Таким образом, поршневые кольца создают оптимальные условия для сгорания топлива в ДВС, что во многом обеспечивается их конструкцией. Кроме того, во время установки в замке создается допустимый зазор, что сохраняет их работоспособность при значительном изменении условий работы ДВС.

Конструкция современного бензинового или дизельного мотора такова, что только совместная согласованная работа отдельных узлов и механизмов позволяет получить ожидаемые характеристики. И если рассматривать сгорание топлива, то обеспечение для этого оптимальных условий зависит от поршневых колец, а также от того, насколько выдержаны тепловые зазоры в замке при установке на поршень.

znanieavto.ru

Какой тепловой зазор у поршневых колец

Поршень перемещается внутри цилиндра, воспринимая давление воспламенения смеси в камере сгорания. Для этого выдерживается интервал между поршнем и зеркалом гильзы. Этого требует снижение трения, уменьшение износа деталей поршневой группы. При этом моторное масло призвано минимизировать выработку трущихся сочленений, исключая просачивание смазки под поршень. Важной функцией остаётся отвод тепла на стенки цилиндра.

Функции поршневых колец

Поршневые кольца предназначены выполнять функции:

Герметизация поршневого пространства, с сохранением давления верхними компрессионными кольцами.
Отвод тепла от стенок гильзы.
Снижение расхода масла.

Проверка зазора в замках внутри цилиндров

Замок поршневого кольца — стык между двумя концами, которые способны сжиматься до сотых частей миллиметра. Концы имеют прямой или косой срез, при прямоугольном сечении профиля.

Укладывая кольца в канавки, стыки размещаются под углом 120° (если 3), а при двух кольцах — под 180°, что ограничивает просачивание газов, масла в картер, под поршень.

Маслосъёмные кольца предназначены снимать со стенок цилиндра излишки моторной смазки. Рассчитаны оставлять на зеркале тонкий слой плёнки, настолько малый, что измеряется микронами. Конструкция предусматривает радиальные, сквозные щели, через которые снимаемое со стенок масло сливается в картер.

Выпускаются из литого чугуна с прорезями или расширителями. Представляют два кольца (верхний, нижний), пару радиальных или осевых расширителей.

О тепловом зазоре

Поршневые кольца

Общим элементом колец считаются замки, поскольку целевая задача компенсировать тепловое расширение во время работы. Замки претерпевают давление газов, температурные нагрузки, другое инертное воздействие. Это напряжение берёт на себя мизерное расстояние между концами колец.

Для чего же нужен тепловой фактор?

Представим отсутствие зазора между пролётами мостов, железнодорожных рельсов или компенсаторов на магистральных трубопроводах. Солнечный нагрев, расширение, например металла рельсов, не имеющих зазора при укладке, приводит к неизбежному их изгибу со всеми вытекающими последствиями.

В случае с поршневыми кольцами, отсутствие стыкового зазора приводит к поломке и поршня.

Итак, свободное вращение колец исключает стыковые соприкосновения внутри канавки поршня. Конструкция предусматривает разрезы, упреждающие заклинивание от перегрева. Эта особенность способствует плотному касанию к зеркалу цилиндра.

Допускаемый интервал стыка не превышает 0,3-0,6 мм. При малом зазоре стыка, например 0,2 мм, нагретые детали способны оставлять задиры на цилиндре.

Кстати, предпочтение отдаётся деталям с косыми срезами концов. Прямые концы обладают большим давлением на стенки, что преждевременно выводит из строя гильзу, способствуя утечке масла.

Требования к тепловому зазору

Функциональные требования к тепловому зазору предусматривают:

Отвод тепла от поршня в момент воспламенения смеси. В противном случае поршень выгорит под температурой камеры сгорания.
Функция уплотнения поршневого пространства. Появляющееся давление должно равномерно прижимать кольца к стенкам цилиндра. Достижение такового прикасания требует установки правильного расстояния.
Требования к маслосъёмным кругам, отвечающим за подачу нужного количества смазывающего материала. Соблюдение этого правила сохраняет расход масла, бензин на уровне заводских норм.

Параметры

Выставленные зазоры на кольцах

Установленный зазор должен соответствовать 0,6-0,3 мм, а боковой между стенкой не превышать 0,08-0,04 мм.

Величина исходит из того, что отработанные газы действуют на кольца с внутренней стороны канавки, прижимая их к стенке. Согласованное функционирование компрессионных, маслосъёмных колец позволяет получить полное сгорание смеси. Зависит это от укладки их в канавку поршня.

Стало быть, малая величина между концами после прогрева приведёт к задирам зеркала цилиндра.

Зазор измеряется щупом и регламентируется величиной 0,2-0,5 мм. Для двигателей модели ВАЗ на уплотнительных кольцах предусмотрена величина 0,25-0,04 мм. Маслосъёмные имеют 0,25-0,5 мм.

Первое кольцо сверху (компрессионное), как нагруженное из легированного чугуна подвергается напылению хромом. Пористое покрытие этого металла способно удерживать необходимую массу моторного масла.

Плазменное нанесение на кольца слоя молибдена способствует износостойкости, низким показателем трения с цилиндром.

Памятка

Замок на сепараторе покрашен в голубой цвет

Подбирая ремонтный размер, нужно руководствоваться обозначением продукции, включая модель двигателя, номер комплекта, размер изделия. Дополнительно проверяется маркировка, которая находится в определённом месте продукции (близко к концу). Тщательно рассматриваются расширительные пружины со шлифованной поверхностью.

Выводы

Правильно подобранные и грамотно уложенные по месту кольца гарантируют длительный срок эксплуатации.

carfrance.ru

Тепловой зазор поршневых колец

Двигатель внутреннего сгорания фактически является тепловой машиной. В процессе работы такого двигателя целый ряд нагруженных деталей в конструкции ЦПГ и ГРМ подвергается температурному расширению в результате значительного нагрева. По этой причине для нормальной работы ДВС в отдельных конструкциях предусмотрена самостоятельная регулировка теплового зазора клапанов (при отсутствии гидрокомпенсаторов).

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое гидрокомпенсатор. Из этой статьи вы узнаете о назначении, устройстве и особенностях работы гидротолкателей.

Регулировать тепловые зазоры клапанов необходимо каждые 30-40 тыс. км. пробега, а также в случае появления стука клапанов на холодном или горячем двигателе. Отдельного внимания также требует тепловой зазор между поршнем и цилиндром, а точнее тепловой зазор поршневых колец.

Читайте в этой статье

Какой зазор должен быть на поршневых кольцах

На поршень устанавливается два типа поршневых колец:

компрессионные кольца;
маслосъемные кольца;

Также компрессионные кольца делятся на верхнее компрессионное и нижнее компрессионное кольцо. Задачей данных колец является герметизация камеры сгорания и предотвращение прорыва значительной части отработавших газов в картер двигателя. Маслосъемные кольца осуществляют снятие излишков моторного масла со стенок цилиндра, благодаря чему масло не попадает в камеру сгорания в избыточном количестве.

Тепловой зазор в замке поршневых колец является важным параметром, который необходимо в обязательном порядке учитывать при подборе колец в процессе их замены или комплексного ремонта ЦПГ.

Такой ремонт обычно предполагает расточку блока цилиндров, установку ремонтных поршней и колец. Указанный тепловой зазор является допуском, который учитывает расширение детали с нагревом, то есть когда происходит изменение определенных параметров. Допустимый зазор между поршнем и цилиндром является таким зазором, при котором наблюдается нормальная работоспособность всех элементов. Детали весьма плотно подогнаны друг к другу, но при этом не происходит их повреждения и заклинивания.

Другими словами, допустимый зазор поршневых колец позволяет после теплового расширения добиться такого теплового пространства (зазор между поршнем и цилиндром), при котором плотно прижатые к стенкам цилиндров поршневые кольца создают надежное уплотнение. При этом расширившиеся под воздействием высокой температуры кольца должны сохранять подвижность в канавках на поршне и создавать надежное уплотнение, при этом не препятствуя нормальному перемещению поршня. Параллельно с этим поршневые кольца должны эффективно отводить избытки тепла от нагретых поршней.

Поршневое кольцо не является цельным, так как имеет разрез (замок). Благодаря указанному разрезу удается избежать заклинивания при нагреве и достичь упругости кольца для плотного прижатия к стенкам цилиндра. После установки кольца на поршень и помещения поршня в цилиндр образуется зазор в замке поршневых колец. Такой зазор составляет 0.3- 0.6 миллиметра.

Замок поршневого кольца может быть выполнен в виде прямого или косого среза. Замок с прямым разрезом менее предпочтителен, так как в области краев среза создается сильное давление на стенки цилиндра. Данная особенность конструкции замка вызывает ускоренный износ зеркала цилиндров, после чего происходит утечка газов и повышается расход масла на угар. Увеличение зазора поршневого кольца от допустимых параметров ухудшает уплотнение. Уменьшение зазора колец может привести к их разрушению, заклиниванию или образованию задиров на стенках цилиндров.

Как влияет тепловой зазор поршневых колец на расход масла

В последнее время среди производителей наблюдается тенденция к увеличению тепловых зазоров компрессионных поршневых колец. Зазоры на таких кольцах находятся в диапазоне от 1 до 2 мм. Обычно такой увеличенный зазор актуален для второго компрессионного кольца.

Дело в том, что прижим поршневых колец (как первого верхнего, так и второго компрессионного) практически полностью зависит не от степени упругости самого кольца, а от давления, которое возникает во время сгорания заряда топливно-воздушной смеси в рабочей камере. Отработавшие газы попадают в канавки на поршне, после чего оказываются на обратной стороне колец. В результате происходит увеличение прижимного усилия колец к стенке цилиндра. Наиболее сильно газы воздействуют на первое (верхнее) компрессионное кольцо, а также влияют на прижим второго компрессионного поршневого кольца.

С учетом вышесказанного необходимо отметить, что в режиме работы двигателя на холостом ходу и малых нагрузках давление газов заметно слабее по сравнению с режимом средних и максимальных нагрузок. По этой причине компрессионные поршневые кольца не так сильно прижаты к стенке цилиндра на таких режимах работы ДВС.

Следует добавить, что второе компрессионное кольцо также частично снимает масло. Получается, недостаточное давление и слабое прилегание вызывает повышение расхода моторного масла на холостых оборотах и при минимальных нагрузках на мотор.

Для уменьшения расхода масла производители выполняют увеличение тепловых зазоров поршневых колец. Через увеличенные зазоры газы даже под относительно небольшим давлением намного активнее проникают в кольцевую канавку, после чего попадают на обратную сторону кольца.

Прижим колец улучшается, герметизация камеры сгорания остается на приемлемом уровне, при этом расход масла удается снизить. Единственным недостатком увеличенного зазора колец можно считать большее количество газов, которые попадают в картер через увеличенные зазоры.

Подведем итоги

От правильно подобранного теплового зазора поршневых колец зависит как ресурс самих колец, так и исправность работы всей ЦПГ. Естественный радиальный износ колец приводит к увеличению тепловых зазоров, после чего герметизация камеры сгорания ухудшается.

Одной из важнейших функций колец параллельно уплотнению и удалению масла является терморегуляция. Через кольца реализован отвод тепла от поршня. При увеличении теплового зазора, а также при его уменьшении данная функция выполняется менее эффективно.

Необходимо отметить, что для двигателя намного более опасен уменьшенный зазор. Если минимальный зазор в замках (тепловое пространство) сократить до показателя 0.2 миллиметра, после нагрева и выхода мотора на рабочие температуры зазор в замке может полностью отсутствовать. В результате кольцо сильно давит на стенки цилиндра, значительно возрастает износ колец, нарушается теплообмен, а также повышается риск образования задиров.

Тепловой зазор в замке поршневых колец

Что бы ни изобретали инженеры-двигателисты, классический поршневой двигатель не сдаёт свои позиции. Его принцип действия не меняется с момента изобретения: сжатая топливовоздушная смесь воспламеняется и толкает поршень вниз, это же порождает и две главные проблемы, стоящие перед инженером – удержание давления и сохранение работоспособности при высоких температурах.

В идеальном случае можно было бы использовать цилиндрический поршень, с микронными зазорами стоящий в цилиндре. На практике такой мотор был бы неработоспособен сразу по множеству причин:

Больше всего нагревается днище поршня – если стенки цилиндра легко рассеивают тепло через систему охлаждения, а прилегающая к ним юбка также имеет близкую температуру, то днище может только передавать тепло юбке и кольцам. Поэтому поршень всегда имеет близкую к конусу форму – чем ближе к днищу, тем меньше диаметр, так как тепловое расширение при работе мотора в этой зоне выше. На заре ДВС так и рассчитывалась геометрия поршня – цилиндрический поршень работал до заклинивания, зачищался в затертых местах и снова устанавливался в мотор, пока таким образом не приобретал нужную конусность.
Износ цилиндрического поршня, который не имеет уплотнений, привел бы к резкому росту утечек через увеличенный зазор. Поэтому используются компрессионные поршневые кольца: за счет своей упругости они прижимаются к стенкам цилиндра и обеспечивают компрессию при холодном запуске.
Количество смазки на стенках цилиндра после хода поршня остаётся минимальным, чтобы избежать угара масла. Чтобы «счищать» смазку со стенок цилиндра, необходимы маслосъемные кольца – основное, которое предназначается именно для этой цели, и нижнее компрессионное, которое имеет асимметричную форму и работает как бы «скребком».

Видео: Теория ДВС: Поршневые кольца (часть 2)

Устройство и принцип работы

Конструкция компрессионного кольца проста: это кольцо, имеющее зазор для того, чтобы его упругость позволяла кольцу расходиться, сохранять прижим рабочей кромки к стенкам цилиндра. Материал – высокопрочный чугун, реже – высоколегированная сталь.

Условия работы верхнего компрессионного кольца жестки: это и высокая температура, и давление. В момент воспламенения смеси давление доходит до 90 бар, температура – приближается к 1500 градусов. По мере износа цилиндра он теряет равномерность диаметра, и при каждом ходе поршня вверх-вниз кольцу приходится сжиматься и разжиматься, что способствует накоплению усталостных напряжений. Для увеличения ресурса как минимум верхнее кольцо покрывается слоем хрома, который имеет высокую твердость.

Второе компрессионное кольцо работает в более легких условиях – в этом месте поршень уже холоднее, а прямая теплопередача от раскаленных газов на него уже не действует. Поэтому оно может и не хромироваться.

Маслосъемные кольца изначально выполнялись цельночугунными, они имели две рабочие кромки с канавкой между ними. Масло, которое пропускалось нижней кромкой, собиралось верхней в эту канавку, а через радиальные отверстия в ней попадало в отверстия в юбке поршня и отводилось внутрь него. Такая конструкция имела серьезный недостаток: обе кромки работали одновременно, в изношенных двигателях, где кольцо перекашивалось вместе с поршнем, происходил прорыв масла за кольцо. Поэтому изобрели составные конструкции: в них два тонких колечка прижимаются к краям канавки пружинящим расширителем, через который и стекает внутрь поршня собранное масло. За счет малой ширины отдельных колец и их работы такая конструкция сохраняет эффективность при перекосах поршня.

Зазор в замке

Прорезь в поршневом кольце принято называть замком. Этот зазор необходим, но он создает и очевидную проблему – в этом месте газы из цилиндра могут спокойно проникать в картер. Поэтому он должен иметь минимальную ширину при сборке, но не нулевую – из-за неравномерности теплового расширения цилиндра, кольца и поршня замок может свестись, после чего кольцо сломается.

Для каждого конкретного двигателя, исходя и из материалов, и из рабочего диапазона температур задается минимальный тепловой зазор в замке – при сборке мотора проверяем зазор в замке, чтобы он был не меньше нижнего порога номинала.

Износа кольца и цилиндра приводит к тому, что кольцо «расходится», зазор в замке растет, как растут и потери давления и масло проникает в камеру сгорания. Исходя из этого, задается максимальный размер зазора, при превышении которого кольцо заменяется новым.

Сравним величины номинального зазора для разных двигателей:

ВАЗ-2108: 0,25-0,45 мм;
ГАЗ-24: 0,25-0,6 мм;
Honda CR-V (мотор K20A4): 0,2-0,35 мм.

О чем нам говорят эти цифры? Минимальный предел зазора в замке нового кольца у отечественных двигателей близок, но вот максимальный выше в моторе с меньшей степенью форсировки: потери давления при этом сохраняются терпимыми. У японского же мотора материалы подобраны лучше, охлаждение верхнего кольца эффективнее, поэтому снижается минимальный размер, и «вольностей» при сборке допускается меньше. Максимальный предел при дефектовке отличается – на моторах ВАЗ он составляет 1 мм, ГАЗ – 1,2 мм, у «Хонды» же верхнее компрессионное кольцо считается изношенным уже при зазоре 0,6 мм, с каким еще можно было бы собирать новый мотор двадцать четвертой «Волги».

Зазор в замке – это важный показатель при дефектовке мотора. Заводя кольцо на разную высоту, где цилиндр изнашивается по-разному, можно без нутромера узнать степень износа: в верху, где кольцо не соприкасается со стенками, цилиндр сохраняет номинальный диаметр, и именно в этом месте зазор в замке отображает износ кольца. Опускаясь ниже, кольцо расширяется, указывает на увеличение диаметра цилиндра ближе к середине, затем снова сужается. Грубо, но достаточно показательно рассчитываем разницу в диаметрах цилиндра на разной высоте, отталкиваемся от измеренного зазора.

Предположим, номинальный диаметр цилиндра – 78 мм, что соответствует окружности 122,522 мм. Измеренный зазор в замке при установке кольца вверху – 0,4 мм, длина самого кольца – 122,122 мм. Теперь опускаем его к центру цилиндра и измеряем зазор 0,8 мм – из окружности 122,922 мм получаем диаметр 78,25 мм. Такой метод не учитывает то, что цилиндр становится бочкообразным или яйцевидным, и в середине кольцо прилегает к стенкам не всей поверхностью. Тем не менее, изменение зазора в замке указывает нам, что проблема двигателя не в износе колец, которые просто заменить: потребуется расточка цилиндров.

avtocity365.ru

Поршневые кольца — RacePortal.ru

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.

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

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

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.

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.

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

Различные типы тангенциальных расширителей составных маслосъёмных колец

Составное четырёхкомпонентное кольцо

Верхняя плоская пластина
Осевой расширитель
Радиальный расширитель
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.

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

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.

raceportal.ru

зачем нужен и каким должен быть?

Большинство автомобилистов слышали о таком понятии, как зазор поршневых колец. Но немногие из них могут похвастаться наличием определенных знаний в этой области. Еще меньшее количество из них разбираются в том, каким должен быть тепловой зазор в замке поршневых колец. В первую очередь стоит отметить, что к поршневым деталям двигателя выдвигаются определенные требования. В основном они базируются на требованиях к их качеству. Поскольку на поршневые детали оказывается огромное влияние инертных сил и прочих факторов вроде температуры и воздействия газов, то и качество поршневых деталей должно быть безупречным. В этом материале рассмотрим, для чего нужен тепловой зазор и каким он должен быть.

Тепловой зазор: зачем он нужен?

Практически все водители, разбирающиеся хоть мало-мальски в узлах автомобиля, понимают, что все детали авто во время эксплуатации подвергаются воздействию высоких температур. Соответственно при увеличении температурного режима все детали склонны расширяться. Однако мало кто знает, что при расширении детали также изменяют и свои параметры. А это в свою очередь приводит к тому, что значительно ухудшается работа других элементов механизма. Нередко это может приводить и к еще более плохому развитию — повреждению механизмов. Тепловой зазор в замке поршневых колец считается одной из наиболее важных конструктивных особенностей, благодаря которой и обеспечивается нормальная работа всех поршневых кругов. Поэтому чтобы система правильно функционировала, обязательно должно выполнятся условие свободного вращения в канавке. В противном случае может произойти заклинивание, за счет чего невозможным станет уплотнение и отвод тепла.

Каким должен быть тепловой зазор?

В конструкции поршня предусмотрена два вида колец. Первые из них компрессионные, которые препятствуют пропуску сгоревших газов. Вторые маслосъемные, которые осуществляют съем излишков масла со стенок цилиндра двигателя. И те и другие по своим конструкционным особенностям не сплошные. В них есть разрез, благодаря которому при нагреве не происходит заклинивание обода. Также именно разрез и способствует хорошему прижатию к стенкам цилиндра. Наличие теплового зазора в замке в этом вопросе играет немаловажную роль. Допустимым зазором считается значение в 0,3-0,6 мм. При несоответствии параметра данному значению может запросто привести к серьезным повреждениям в цилиндре.

Подробнее о тепловом зазоре будет рассказано в этом видеоматериале:

Опубликовано: 26 января 2019

automend.ru

Функции и свойства поршневых колец

Тангенциальное напряжение

Поршневые кольца в разжатом состоянии имеют больший диаметр, чем когда они уже установлены. Это нужно для того, чтобы в установленном состоянии создать необходимое всестороннее прижимное усилие во внутреннем диаметре цилиндра.

Измерить давление прижима во внутреннем диаметре цилиндра на практике трудно. Поэтому диаметральная сила, которая прижимает кольцо к стенке цилиндра, высчитывается с помощью формулы из тангенциальной силы. Тангенциальная сила — это сила, которая необходима, чтобы стянуть стыковые концы на стыковой зазор (рис. 1). Тангенциальную силу измеряют при помощи гибкой стальной ленты, которая располагается вокруг кольца. Этот стальной обод стягивается тогда до тех пор, пока стыковой зазор поршневого кольца не достигает предписанного значения. Сила можетзатем считываться с динамометра. Измерение маслосъёмных поршневых колец происходит только с вложенной пружиной-расширителем. Чтобы обеспечить точность измерения, измерительная установка подвергается вибрации. Это делается для того, чтобы пружина — расширитель смогла за кольцом принять её естественную форму. Из-за их конструкции, у состоящих из трёх частей поршневых колец со стальными пластинками и с пружинным расширителем дополнительно необходима осевая фиксация колец, так как иначе стальные пластинки уходили бы в сторону, и измерение было бы невозможным. Рисунок 2 показывает схему измерения тангенциальной силы.

Рис. 1

Рис. 2

Важное указание: У поршневых колец из-за радиального износа, вызванного полусухим трением или более длительной эксплуатацией, происходит потеря тангенциального напряжения. Измерение напряжения имеет смысл только у новых колец с ещё полным поперечным сечением.

Распределение радиального давления

Радиальное давление зависит от эластичности материала, зазора в замке ненапряжённого поршневого кольца и, не в последнюю очередь, от поперечного сечения кольца. При распределении радиального давления имеются два вида основных различий. При этом, самым простым видом является симметричное распределение радиального давления (рис. 3). Оно встречается, прежде всего, у составных маслосъёмных колец, состоящих из гибкой упрочняющей вставки для кольца или из стальных пластинок с относительно низким начальным напряжением. Пружина-расширитель придавливает упрочняющую вставку и, соответственно, стальные пластинки, за которыми она лежит, к стенке цилиндра. Пружина-расширитель, которая в сжатом состоянии (монтаж) упирается в обратную сторону упрочняющей вставки или стальных пластинок, создает симметричное радиальное давление.

У компрессионных поршневых колец, предназначенных для четырёхтактных ДВС, отказались от симметричного распределения радиального давления. Вместо него используют грушевидное распределение (так называемое позитивно — овальное), чтобы при более высокой частоте вращения противодействовать вибрации стыкующих концов кольца (рис. 4). Вибрация кольца всегда начинается на стыковых концах и переходит дальше на весь его объём. Увеличение усилия прижима на стыковых концах противодействует этой вибрации, так как поршневые кольца в этой области сильнее прижимаются к стенке цилиндра и, вследствие этого, вибрация поршневого кольца уменьшается или совсем прекращается.

Рис. 3 — Симметричное распределение радиального давления

Рис. 4 — Позитивно — овальное распределение радиального давления

Усиление давления прижима давлением сгорания

Гораздо более важнее чем начальное напряжение поршневых колец — это усиление давления прижима давлением сгорания, которое действует на компрессионные поршневые кольца во время работы двигателя.

Около 90 % общего усилия прижима первого компрессионного кольца создаётся давлением сгорания во время рабочего такта. Давление рапределяется, как это показано на рисунке 1, за компрессионными кольцами и придавливает их ещё сильнее к стенке цилиндра. Увеличение усилия прижима оказывает влияние преимущественно на первое компрессионное кольцо, но продолжает действовать в ослабленной форме также на второе компрессионное кольцо.

Давление газа для второго поршневого кольца регулируется благодаря изменению стыкового зазора первого компрессионного кольца. Из-за немного большего стыкового зазора создаётся, например, большее давление сгорания на тыльной стороне второго компрессионного кольца, что также и здесь усиливает прижатие. При большем количестве компрессионных колец, начиная со второго компрессионного кольца, не происходит никакого увеличения давления прижима с помощью давления газа сгорания.

Маслосъёмные поршневые кольца работают на основе их начального напряжения. Из-за особенной формы колецдавление газа не может действовать здесь в качестве усилителя прижима.

Кроме того, распределение силы в поршневом кольце зависит от формы рабочей поверхности поршневого кольца. У конических и у шлифованных компрессионных колец выпуклой формы давление газа попадает также в щель между рабочей поверхностью поршневого кольца и стенкой цилиндра и действует против давления газа, которое образуется за поршневым кольцом (смотри главу 1.3.1 Компрессионные поршневые кольца).

Осевое усилие прижима, которое оказывает действие на компрессионное поршневое кольцо в нижней боковой поверхности канавки, создаётся лишь давлением газа. Начальное напряжение колец вовсе не действует в осевом направлении.

Важное указание: Во время холостого хода из-за худшего заполнения камер сгорания давления прижима колец давлением газа увеличивается, в принципе, не так сильно. Это особенно заметно у дизельных двигателей. Двигатели, которые долго работают на холостом ходу, имеют повышенный расход масла, так как маслосъёмная функция страдает при отсутствии поддержки давлением газа. Часто двигатели при газовании после длительной фазы холостого хода выбрасывают из выхлопа голубые облака масла, так как масло накопилось в камере сгорания и в выпускной системе и сжигается только при газовании.

Специфическое давление прижима

Специфическое давление прижима зависит от упругости кольца и поверхности прилегания кольца к стенке цилиндра (F х А). Чтобы удвоить специфическое усилие прижима, имеются две возможности: либо удваивают упругость кольца, либо делят пополам поверхность прилегания кольца в цилиндре. На рисунке видно, что результирующая сила (специфическое усилие прижима = сила х площадь), которая действует на стенку цилиндра, постоянно одна и та же, хотя упругость кольца удвоена или, соответственно, поделена пополам.

У более новых двигателей — тенденция к меньшей высоте кольца, так как нужно понизить внутреннее трение в двигателе. Однако, это можно осуществить только в том случае, если уменьшить эффективную поверхность соприкосновения кольца со стенкой цилиндра. При уменьшении высоты кольца вполовину, уменьшается также в два раза упругость поршневого кольца и, вместе с тем, трение.

Так как оставшаяся сила действует на более маленькую площадь, специфическое давление прижима на стенку цилиндра (сила х площадь) при половине площади и половине напряжения остаётся таким же, как при двойной площади и двойном напряжении.

Рис. 2

Рис. 3

Внимание

Одна только упругость кольца не может использоваться для оценки усилия прижима и уплотняющих качеств. Поэтому при сравнении поршневых колец также всегда необходимо обращать внимание на размер рабочей поверхности.

Тепловой зазор

Тепловой зазор — это важная особенность конструкции для обеспечения работы поршневых колец. Это можно сравнить с зазором у впускного и выпускного клапанов. При нагреведеталей из-за естественного теплового расширения происходит их удлинение или увеличение ихдиаметра. В зависимости от разницы между температурой окружающей среды и рабочей температурой необходим больший или меньший зазор, измеренный в холодном состоянии, чтобы обеспечить функционирование при рабочей температуре.

Основным условием для правильного функционирования поршневых колец является возможность свободного вращения колец в канавках. Если бы поршневые кольца застревали в канавках, то они не могли бы ни уплотнять, ни отводить тепло. Тепловой зазор, который должен существовать ещё также и при рабочей температуре, гарантирует, что объём поршневого кольца, благодаря его тепловому расширению, всегда будет меньше, чем объём цилиндра. Если бы тепловой зазор из-за теплового расширения полностью исчез, то стыковые концы поршневого кольца были бы прижаты друг к другу. При ещё большем давлении поршневое кольцо должно даже деформироваться, чтобы компенсировать изменение длины,причиной которого является нагрев. Так как раздвижение поршневого кольца из-за теплового расширения в радиальном направлении невозможно, изменение длины может компенсироваться только в осевом направлении. На рисунке 2 показано, как деформируется кольцо, если становится слишком тесно во внутреннем диаметре цилиндра.

Рис. 1

Рис. 2

Следующие вычисления показывают на примере поршневого кольца с диаметром в 100 мм, как изменяется длина окружности кольца при рабочей температуре.

Пример:

диаметр цилиндра d 100 мм

температура окружающей среды t_t 20°С

рабочая температура t₂ 200°С

коэффициент упругости чугуна а 0,000010

длина окружности поршневого кольца

U = d х п

U = 100 х 3,14 = 314 мм U = 1₂

изменение длины поршневого кольца при рабочей температуре

Д1 = 1₁ х а х Дt Д1 = 1₁х а х (t₂ — t₁)

Д1 = 314 х 0,000010 х 180 = 0,57 мм

Чтобы функция была правильной, для этого примера нужен тепловой зазор минимум 0,6 мм. Расширяются, однако, не только поршень и поршневые кольца, но и внутренний диаметр цилиндра становится больше из-за нагрева при рабочей температуре. По этой причине тепловой зазор снова может быть несколько меньше. Внутренний диаметр цилиндра расширяется при воздействии тепла всё-таки далеко не так сильно, как поршневое кольцо. С одной стороны, структура блока цилиндров жёстче чем структура поршня, с другой стороны, поверхность цилиндра не становится такой горячей как поршень с поршневыми кольцами.

К тому же увеличение диаметра цилиндра, благодаря тепловому расширению по всей его рабочей поверхности не одинаково. Внутренний диаметр цилиндра под влиянием тепла от сгорания в верхней части будет сильнее расширяться, чем в нижней части. Из-за неравномерного теплового расширения внутреннего диаметра цилиндра происходит отклонение от цилиндрической формы, которая принимает лёгкую форму воронки (рис. 3).

Рис. 3

Уплотнительная поверхность поршневого кольца

Поршневые кольца уплотняют не только на рабочей, но и на боковой поверхности. Уплотнение на рабочей поверхности отвечает за уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра; нижняя боковая поверхность канавки — за уплотнение обратной стороны кольца. Поэтому необходим хороший контакт не только кольца со стенкой цилиндра, но и с нижней боковой поверхностью кольцевой канавки поршня. Если этого контакта нет, то масло или отработавшие газы могут пройти мимо обратной стороны кольца.

С помощью рисунков можно очень легко представить, что из-за износа (грязи и длительной эксплуатации) уплотнение обратной стороны кольца больше не гарантируется, и что увеличивается передача газа и масла по кольцевой канавке. Поэтому оснащать изношенные кольцевые пазы новыми кольцами безнадёжная затея. Неровности боковой поверхности канавки мешают уплотнению кольца, а расширенная в высоту канавка допускает больше свободы движения для него. Так как кольцо из-за слишком большого зазора по высоте неправильно лежит в канавке, кольцо гораздо легче отделяется от боковой поверхности канавки, откачивается масло (рис. 2 и 3), кольцо вибрирует и ухудшается герметизация. Кроме того, рабочая поверхность кольца становится чрезмерно выпуклой. Это является причиной возникновения слишком толстой масляной плёнки и повышенного расхода масла.

Рис. 1

Рис. 2 — Такт впуска

Рис. 3 — Такт сжатия

Дросселирующая щель и просачивание газов из камеры сгорания в картер двигателя

Так как с помощью используемых в моторостроении поршневых колец невозможно достичь в конструкции 100%-ной герметизации от газов, то происходит утечка газов, так называемых Blow-by-газов (газов, проникших в картер двигателя из камеры сгорания). Отработавшие газы попадают через самые маленькие зазоры в поршне и поршневых кольцах в кривошипную камеру. При этом количество просачивающегося газа определяется величиной дросселирующего окна. Она результируется из теплового и рабочего зазоров поршня. В действительности дросселирующее окно по сравнению с представленным на графике — микроскопически маленькое. Как правило, для расчёта максимального прорыва газов из камеры сгорания в картер двигателя берут примерно 1 % всасываемой воздушной массы. В зависимости от положения поршневого кольца при эксплуатации производится больше или меньше Blow-by-газов. Если в кольцевых канавках стыковые зазоры первого и второго компрессионных поршневых колец конгруэнтны, то из камеры сгорания в картер двигателя просачивается больше газов. При постоянной эксплуатации это происходит периодически, так как кольца вращаются в канавках со скоростью в несколько оборотов в минуту. Если стыковые зазоры лежат точно напротив друг друга, просачивающийся газ имеет, конечно, ещё один дополнительный путь через уплотняющий лабиринт, так что утечка газа сокращается. Газ, проникший в кривошипную камеру из камеры сгорания, направляется через систему вентиляции картера назад в такт впуска и сжигается. Причиной для этого являются вредные для здоровья качества газов. Благодаря повторному сжиганию в двигателе они обезвреживаются. Кроме того, вентиляция кривошипной камеры необходима, так как избыточное давление в ней привело бы к повышенному выделению масла на радиальныхуплотнительных кольцах для вала.

Если просачивание газов из камеры сгорания в картер двигателя усилено, это указывает либо на значительный износ поршневых колец по прошествии длительного срока эксплуатации, либо днище поршня обнаруживаетужетрещины, позволяющие попадать отработавшим газам в кривошипную камеру. Но также и неправильные геометрическиехарактеристики цилиндра ведут к усиленному просачиванию газов из камеры сгорания в картер двигателя. У стационарных двигателей или двигателей испытательного стенда просачивание газов из камеры сгорания в картер двигателя постоянно измеряется, контролируется, а также используется в качестве предупредительного индикатора для возникающих повреждений двигателя. Если измеренное количество газа, просачившегося из камеры сгорания в картер двигателя, превосходит максимально допустимую величину, двигатель автоматически прекращает работу. Благодаря этому можно избежать серьёзных и дорогостоящих повреждений двигателя.

Зазор кольца по высоте

Зазор кольца по высоте (рис. 1) не является результатом износа в кольцевой канавке. Зазор по высоте — это важная функциональная величина, для того, чтобы обеспечить правильное функционирование поршневых колец. Зазор кольца по высоте гарантирует, что кольца могут свободно двигаться в кольцевых канавках .

Он должен быть по величине таким, чтобы кольцо при рабочей температуре не заедало и чтобы достаточное давление сгорания могло проникнуть в канавку и распределиться за кольцом .

Однако, зазор кольца по высоте не может быть в обратном смысле слишком большим, так как кольцо вследствие этого немного отклоняется от оси. В результате у кольца появляется склонность к вибрации , а также к повышенному скручиванию колец. Из-за этого поршневые кольца изнашиваются (чрезмерно сильная выпуклость рабочей поверхности) и появляется повышенный расход масла .

Рис. 1

Скручивание колец

Внутренние углы или внутренние фаски у поршневых колец вызывают в натянутом (установленном) состоянии их скручивание. В демонтированном, ненатянутом состоянии скручивание не происходит (рис. 1), и кольцо ровно лежит в кольцевой канавке. Если кольцо установлено, т.е. натянуто, оно отклоняется к более слабой стороне, туда, где из-за внутренней фаски или внутреннего угла отсутствует материал. Кольцо скручивается. В зависимости от положения фаски или угла на нижней или верхней кромке говорят о положительно или отрицательно скрученном поршневом кольце (рис. 3 и 4).

Рис. 2 — Кольца не напряжены Скручивание еще не действует

Рис. 3 — Положительное скручивание

Рис. 4 — Отрицательное скручивание

Скручивание кольца в условиях эксплуатации

У положительно и отрицательно скрученных колец скручивание эффективно, если на нихнедействуетникакоедавлениесгорания (рис. 5). Кактолькодавление сгорания начинает действовать в кольцевой канавке, поршневое кольцо прижимается к её нижней боковой поверхности, что ведёт за собой улучшенный контроль расхода масла (рис. 6).

Положительно скрученные цилиндрические и конические компрессионные поршневые кольца обладают в принципе хорошими маслосъёмными свойствами. При возникающем трении на стенке цилиндра при движении поршня вниз кольцо может, тем не менее, немного отделиться от нижней боковой поверхности канавки, так что масло всё же попадает в зазор и расходуется.

Отрицательно скрученное кольцо уплотняет в нижней боковой поверхности снаружи и в верхней боковой поверхности внутри. Вследствие этого проход в канавку маслу преграждён. Поэтому с помощью отрицательно скрученных колец можно оказывать положительное влияние на расход масла, особенно в режиме частичной нагрузки и при пониженном давлении в камере сгорания (режим принудительного холостого хода). У отрицательно скрученных конических компрессионных поршневых колец угол рабочей поверхности, составляющий примерно 2°, немного больше чем у обычных конических компрессионных поршневых колец. Это необходимо, так как из-за отрицательного скручивания угол частично исчезает.

Рис. 6

Способность поршневого кольца прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру

Под способностью поршневого кольца прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру понимаютто, как хорошо прилегает кольцо к форме стенки цилиндра, чтобы достичь хорошей герметизации. Эта способность поршневого кольца зависитотэластичности кольца и, соответственно, кольцевой детали (маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из двух частей) или стальных пластинок (маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из нескольких частей), а также и от давления прижима кольца / кольцевой детали к стенке цилиндра. При этом способность поршневого кольца прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру тем лучше, чем эластичнее кольцо / кольцевая деталь и чем больше давление прижима. Большая толщина и большое поперечное сечение кольца приводят к большой жёсткости и вызывают по причине более высокого веса также большие силы инерции. Поэтому по способности прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру такие кольца уступают кольцам меньшей ширины и с меньшим поперечным сечением и, вместе с тем, с меньшими силами инерции.

Очень хорошей способностью прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру обладают маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из нескольких частей, так как они имеют очень гибкие кольцевые детали или стальные пластинки без того, однако, чтобы одновременно быть упругими,

Как уже описано этой брошюре, усилие прижима у маслосъёмных поршневых колец, состоящих из нескольких частей, появляется от пружины-расширителя. Кольцевая деталь или также стальные пластинки очень гибки и хорошо подгоняются.

Хорошая способность прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру важна особенно тогда, когда по причине отклонения от формы появляются отклонения от круглости и неровности поверхности цилиндра. Они происходят из-за перекосов (термических и механических), а также из-за ошибок при обработке и монтаже. Смотри также главу 2.3.5 Геометрические характеристики цилиндра и круглость,

Движение поршневых колец

Вращение кольца

Чтобы иметь возможность отлично приработаться и уплотнять, поршневые кольца должны вращаться в кольцевых канавках. Вращение кольца возникает как из-за структуры хонингования (перекрёстная сетка шлифовочных штрихов), так и из-за перекоса поршня в его верхней и нижней мёртвых точках. При меньшихуглаххонингования кольца вращаются меньше, при большихже частота вращения кольца увеличивается. Кроме того, вращение кольца зависит от частоты вращения двигателя. От 5 до 15 оборотов в мин. — это реалистические значения частоты вращения, и это только для того, чтобы только получить представление об объёме вращения кольца. У двухтактных ДВС кольца защищены от перекручивания. Вследствие этого нет перекручивания колец и исключается попадание стыковых концов в газовые каналы при разжиме колец. Двухтактные ДВС находят в основном применение в двухколёсных транспортных средствах, садово-огородном инвентаре и им подобных. При этом нужно примириться и с возникающим из-за предотвращённого вращения кольца их неравномерным износом, возможным нагарообразованием в кольцевых канавках, а также с ограниченной продолжительностью срока действия. Помимо того, вид применения с самого начала предполагает меньший срок службы двигателя. К пробегу автомобилей с нормальным четырёхтактным ДВС, которые передвигаются по дороге, предъявляются гораздо более высокие требования.

Перекручивание стыковых концов кольца при монтаже на 120° по отношению друг к другу служит лишь для лучшего запуска нового двигателя. Позднее, уже в режиме работы возможно каждое мыслимое положение поршневых колец в пределах кольцевой канавки,если вращению ничего не препятствует с точки зрения конструкции (двухтактные ДВС).

Вращение вокруг оси

В идеальном случае кольца лежат на нижней боковой поверхности канавки. Это важно для механизма герметизации, так как кольца уплотняют не только на рабочих, но и на нижних боковых поверхностях. Нижняя боковая поверхность канавки уплотняет кольцо от газа или просачивания масла на обратную сторону кольца. Рабочая поверхность поршневого кольца уплотняет переднюю часть, прилегающую к стенке цилиндра (смотри также главу 1.6.6 Уплотнительная поверхность поршневого кольца).

Из-за движения поршня вверх и вниз и из-за изменения направления на кольца также оказывают действие центробежные силы, которые позволяют кольцам подниматься над нижней боковой поверхностью канавки. Масляная плёнка в канавке смягчает вызванное центробежными силами поднятие поршневых колец с ее нижней боковой поверхности. При этом в основном возникают проблемы, если кольцевые канавки из-за износа стали шире и, вследствие этого, появился слишком большой зазор кольца по высоте. Это приводит к тому, что кольцо поднимается с его опорной поверхности в поршне и вибрирует, начиная, прежде всего, со стыковых концов. Происходит потеря уплотняющего эффекта поршневого кольца и увеличивается расход масла. Это случается, прежде всего, при такте впуска, если при движении поршня вниз и при возникающем пониженном давлении в камере сгорания кольца отделяются со дна канавки и масло на обратной стороне кольца всасывается в камеру сгорания. При трёх остальных тактах давление из камеры сгорания прижимает кольца к нижней боковой поверхности,

Радиальное движение

Собственно, не кольца передвигаются в радиальном направлении туда-сюда, а поршень благодаря своему реверсивному движению в пределах внутреннего диаметра цилиндра соприкасается то с одной, то с другой стенкой цилиндра. Это происходит как в верхней, так и в нижней мёртвых точках поршня. Вследствие этого появляется радиальное движение кольца в пределах кольцевой канавки. Это ведёт не только к истиранию образующегося слоя масляного нагара (особенно у поршневых колец с поперечным сечением в форме трапеции), но и и в сочетании с перекрёстным шлифованием к вращению кольца.

Скручивание колец

Рис. 3

Рис. 4

Благодаря силе инерции,скручиванию колец и зазору по высоте, кольца совер шаюттакое движение, как изображено на рисунке. Как уже описано в главе 1.5.6 Выпуклая форма рабочей поверхности, поршневые кольца со временем становятся выпуклыми, если они уже с самого начала не были вы пуклыми.

axela-mazda.ru

Разное