Тепловой зазор поршневых колец: Каким должен быть зазор в поршневых кольцах

Содержание

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.

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».

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Этот зазор должен находиться в пределах, указанных производителем двигателя.

Кольцо расширяется при горячем двигателе. Если зазор меньше минимального предела, концы соприкасаются из-за этого теплового расширения.
Кольцо расширяется относительно вкладыша. Это увеличивает трение, что приводит к поломке кольца и заклиниванию поршня.

Если зазор больше максимального предела, продукты сгорания продуваются кольцами и выхлопные газы попадают в картер.

Это приводит к потере давления сжатия в цилиндре.
Для измерения стыкового зазора вставьте кольца в нижнюю часть гильзы и убедитесь, что они находятся на одной линии с осью гильзы.

Измерьте зазор между поверхностями поршневого кольца с помощью щупа.

Запишите два набора показаний, вперед-назад и левый-направо.
2. Осевой зазор
Зазор от вершины кольца до вершины кольцевой канавки.

Выхлопные газы создают давление за поршневыми кольцами и толкаются к гильзе для надлежащего уплотнения.
Если зазор меньше минимального предела, дымовые газы не могут проходить за кольца.

Для измерения осевого зазора установите кольцо в соответствующую канавку так, чтобы оно упиралось в нижнюю поверхность канавки.
Измерьте зазор между поршневым кольцом и верхней поверхностью канавки с помощью щупа.

Запишите два набора показаний, вперед-назад и левый-направо.
3. Задний зазор
Зазор от внутреннего диаметра поршневого кольца до внутреннего диаметра канавки.

Толщина кольца должна быть меньше глубины канавки, чтобы внешняя поверхность кольца находилась внутри кольцевой канавки.
При отсутствии заднего зазора кольца воспринимают боковую нагрузку. Это приводит к высокому трению и возможному заклиниванию поршня.
Для измерения заднего зазора измерьте глубину канавки поршневого кольца с помощью глубиномера.

Проведите оба этих измерения как минимум в 6 различных положениях по окружности канавки.

Разница между двумя показаниями даст задний зазор.
* Задний зазор = глубина кольцевой канавки — толщина кольца.
Подписаться на: Опубликовать комментарии ( Атом )
Научное объяснение поршневых колец и канавок
| Практические советы — двигатель и трансмиссия
В канавке
Канавки для поршневых колец служат более важной цели, чем просто поддержка колец. Они влияют на герметичность сгорания, контроль масла, трение и многие другие характеристики двигателя.
Wiseco является мировым лидером в области поршневых технологий, поскольку она уделяет особое внимание мельчайшим деталям науки об уплотнении цилиндров. Среди этих деталей тип поршневых колец, используемых в гоночных и высокопроизводительных двигателях, всегда является горячей темой. Но кольцевые канавки в поршнях также играют важную роль в герметизации давления сгорания и контроле масла и картерных газов.

Это одна из областей, где Wiseco прилагает дополнительные инженерные усилия, чтобы обеспечить максимальную производительность своих поршней. В то время как различные типы поршневых колец больше подходят для конкретных применений, сами кольцевые канавки часто упускают из виду в поисках оптимального уплотнения цилиндра.
Многие производители двигателей прилагают большие усилия для точного напильника торцевых зазоров, но зазор кольца в канавке часто не контролируется, а качество уплотняющей поверхности кольцевой канавки редко принимается во внимание. Часто предполагаются зазор и качество кольцевых канавок. Wiseco делает все возможное, чтобы убедиться, что это правильно, даже если вы не проверяете это.

Десятилетия назад такие гонщики, как Билл «Ворчун» Дженкинс, покупали необработанные поршни и нарезали собственные кольцевые канавки именно там, где они хотели, и с желаемой отделкой и допуском. Сегодня в этом больше нет необходимости, поскольку производители уделяют большое внимание дизайну кольцевых канавок.
Граница между поверхностью кольца и стенкой цилиндра до сих пор широко обсуждается среди гонщиков и производителей двигателей, но не менее важным является уплотнение сгорания в кольцевой канавке. Для достижения наилучших результатов кольцевая канавка должна обеспечивать идеальный зазор и свободу перемещения кольца, а также должна обеспечивать твердую плоскую уплотняющую поверхность, на которую кольцо может опираться при высоком давлении в цилиндре.
Самый прочный поршень в мире становится бесполезным без кольцевых канавок, предназначенных для конкретного применения.

Номенклатура кольцевой канавки
Осевой зазор: Вертикальный зазор, остающийся в канавке поршневого кольца после установки кольца. В зависимости от применения вертикальный зазор обычно составляет 0,001–0,003 дюйма. С сегодняшними тонкими кольцами некоторые гонщики обеспечивают осевой зазор до 0,0004-0,0005 дюйма, используя газовые порты для увеличения давления в кольце.
Осевой зазор — это вертикальный зазор, остающийся в канавке над кольцом после его установки.
Радиальный задний зазор: Пространство кольцевой канавки за кольцом, когда поверхность кольца находится на одном уровне с кромкой поршневого кольца. Задний зазор 0,008-0,012 дюйма типичен для гоночных и высокопроизводительных поршней.

Радиальная толщина стенки: Размер кольца от передней поверхности, касающейся стенки цилиндра, до задней или внутренней поверхности кольца. «D-стенка» — это стандартная автомобильная толщина (стандарт SAE), которая рассчитывается путем деления диаметра отверстия на 22. Например: диаметр отверстия 4,125 дюйма, разделенный на 22, равен 0,187 дюйма радиальной толщины стенки.
Осевая высота
Размер от одной боковой поверхности до другой или толщина кольца, обычно выражаемая в дробных размерах, таких как 1/16 дюйма, десятичных размерах, таких как 0,043 дюйма, или метрических размерах, таких как 1,5 мм. Меньшая толщина кольца означает меньшую массу и меньшую инерцию, которую необходимо преодолеть, когда кольцо меняет направление в ВМТ и НМТ. Более тонкое кольцо также создает меньшее трение, но существует взаимосвязь между размерами кольца, уплотнением и контролем масла.

Измерение зазоров кольцевых канавок
Осевой зазор обычно проверяют, вставив щуп между кольцом и верхней частью кольцевой канавки. Небольшое сопротивление укажет на правильный зазор. Начните с минимального значения 0,001 дюйма и увеличивайте его. Не измеряйте между кольцом и дном кольцевой канавки, так как вы можете повредить поверхность уплотнения. Некоторые строители измеряют саму канавку набором щупов, а затем сравнивают это с измерением толщины кольца микрометром. Первый метод предпочтительнее, и рекомендуется проверить его в нескольких местах по периметру поршня.
Задний зазор проверяют, вставив край кольца в канавку и прижав его до упора к задней части канавки, чтобы убедиться, что он не выступает за поверхность кольцевой кромки. Вы можете определить задний зазор, измерив глубину кольцевой канавки с помощью шкалы глубины на наборе штангенциркулей, а затем сравнив ее с измеренной радиальной толщиной. Если кольцевая канавка слишком тонкая, чтобы ее можно было измерить с помощью штангенциркуля, можно использовать шкалу слесаря. Другой способ — использовать пластилин или мягкий воск; вдавите его в канавку, затем снимите и измерьте штангенциркулем.

В большинстве поршней используются просверленные отверстия для сброса масла в задней части канавки маслосъемного кольца. Некоторые имеют прорезные отверстия, которые открываются при прорезании канавки. Они одинаково эффективны, но некоторые дизайнеры считают, что они позволяют больше гибкости на ринге.
Качество кольцевой канавки
Кольцевые канавки должны быть идеально перпендикулярны стенке цилиндра, чтобы давление в цилиндре могло прижать кольцо к поверхности и наружу к стенке цилиндра для оптимального уплотнения. Во время процесса сгорания давление в цилиндре движется вниз по объему щели и в кольцевую канавку над кольцом. Затем он заполняет зазор между кольцами и прижимает кольцо к стенке цилиндра. Осевой зазор в кольцевой канавке обеспечивает путь наполнения к задней части компрессионного кольца, поэтому кольцо прижимается к стенке цилиндра и дну кольцевой канавки.
Размер заднего пространства имеет решающее значение, поскольку он определяет время отклика кольца. Слишком большой задний интервал замедляет реакцию кольца, но должен быть некоторый зазор, чтобы кольцо могло двигаться и соответствовать во всех динамических условиях. Основная цель осевого зазора — позволить кольцу вращаться. Штриховка в стенках цилиндра вызывает вращение колец. Вертикальные и горизонтальные газовые порты в поршнях также являются общепринятым способом направления давления в цилиндре на заднюю часть кольца.
Микросварка
Одной из наиболее серьезных проблем, связанных с тяжелыми гоночными и высокопроизводительными поршнями, является возможность «микросварки». Микросварка повреждает поверхность уплотнения поршневого кольца или кольцевой канавки, когда локальная сварка трением вызывает перенос материала с кромки кольца на сторону кольца, чаще всего на сторону нижнего кольца.
Основными причинами являются высокая температура и чрезмерное движение. Это часто сопровождает высокотемпературную износостойкость и/или работу с наддувом, когда расположение колец слишком высоко на поршне и слишком близко к повышенным температурам сгорания, или при длительной эксплуатации в тяжелых условиях. Микросварка ухудшает качество уплотнения кольца и может даже заклинить кольцо в канавке. Следует отметить, что кольцевые канавки (особенно верхняя канавка) расширяются неравномерно, поскольку толщина материала неодинакова из-за профилей купола, тарельчатых профилей и клапанных клапанов.
Микросварка – это аномальный перенос или сварка материала контактной поверхности кольца на поршневое кольцо из-за чрезмерного нагрева. Это мешает кольцу двигаться должным образом и, если сильно, может заклинить кольцо в канавке.
Размещение кольцевой канавки
В течение многих лет тенденция тяготела к более плотным и высоким пакетам колец в двигателях без наддува. Он способствует стабильности за счет распределения точек контакта между кольцами и юбкой и уменьшает объем щели, что препятствует детонации и способствует более равномерному горению, делая цилиндр более активным. Гонщики в классах Super Stock всегда располагают верхнее кольцо как можно выше, чтобы обеспечить стабильность пакета колец и способствовать более активному и полному сгоранию. Это также позволяет им использовать более короткие и легкие поршни.
Применения с принудительной индукцией и закисью азота, которые подвергаются экстремальным тепловым и ударным нагрузкам, обычно требуют перемещения верхнего кольца вниз от верхней части поршня примерно на 0,300 дюйма. Во многих случаях это также диктуется размером и расположением клапана, требованиями к гнезду клапана, радиальной шириной верхнего кольца и расположением поршневого пальца.
Иногда пакет колец перемещают вниз более чем на 0,400 дюйма, чтобы учесть эти проблемы. Характеристики кармана впускного клапана обычно определяют положение верхнего кольца, потому что впускной клапан всегда больше и находится ближе к краю днища поршня. Более тонкие кольца и кольцевые канавки меньшего размера обеспечивают больше возможностей для оптимального размещения колец, поскольку для них требуется меньше места, но они подвержены риску в тяжелых условиях эксплуатации.
Умеренные закиси азота в диапазоне 250 л. с. будут работать с пакетом колец примерно на 0,250 дюйма вниз. Более того, чем больше, тем лучше, поскольку соотношение азота и топлива всегда хаотично и непредсказуемо. В этом случае 0,450 дюйма или более не является необоснованным.
Расположение пакета колец зависит от области применения и определяется компрессионной высотой поршня, размером и глубиной прорезей клапана, а также размерами пакета колец. Многие поршни OEM имеют верхнее кольцо на 0,300-0,400 дюйма ниже верхней части поршня. В приложениях на выносливость верхнее кольцо помещается на 0,125–0,150 дюйма вниз. В сильно модифицированных гоночных двигателях без наддува расположение верхнего кольца может варьироваться от 0,060 до 0,100 дюйма вниз от короны.
В поршнях для форсированных двигателей (справа) весь пакет колец смещен вниз по поршню, чтобы уберечь его от более высоких температур. Кольца расположены выше на безнаддувных поршнях с максимальным усилием (слева), чтобы свести к минимуму объем щели, приспособить более длинные штоки и расширить точки контакта, чтобы стабилизировать поршень на скале. Это часто делается на Super Stock и модифицированных поршнях для дрэг-рейсинга.
Газовые порты и кольцевой флаттер
Ультратонким кольцам с низким напряжением требуется давление сгорания, обеспечиваемое газовым каналом, для достижения оптимального уплотнения. В овальных поршнях для трековых и шоссейных гонок используются горизонтальные газовые порты в верхней части кольцевой канавки, чтобы противостоять накоплению углерода, в то время как в двигателях дрэг-рейсинга с меньшим сроком службы используются более эффективные вертикальные газовые порты.
Газовые порты создают прямое давление в цилиндре за кольцом, чтобы герметизировать кольцо относительно нижней поверхности кольцевой кромки и прижимать его наружу к стенке цилиндра. Диаметр и количество газовых портов во многом зависят от области применения и диаметра поршня. Давление газа должно прикладываться к кольцу равномерно, чтобы обеспечить хорошее уплотнение и предотвратить вредное колебание кольца.
Давление сгорания способствует герметизации кольца к стенке цилиндра. Давление в цилиндре поступает в кольцевую канавку из объема щели, проходит через верхнюю часть кольца и вниз за ним, чтобы вытолкнуть его к стенке цилиндра. Давление над кольцом прижимает его к дну канавки.
Горизонтальные отверстия для газа вокруг верхней части кольцевой канавки обеспечивают дополнительный путь для давления сгорания, достигающего задней части кольцевой канавки. Они используются в приложениях для выносливости, потому что они не науглероживают так сильно, как вертикальные порты.
Вертикальные газовые порты пересекают самую заднюю часть кольцевой канавки, оказывая прямое давление на заднюю часть кольца. Они используются в дрэг-рейсинге, где накопление углерода не является фактором из-за частых перестроек.
Канавки для уменьшения контакта
Эти канавки нарезаны в верхней кромке кольца над верхним кольцом для минимизации контактного сопротивления, когда поршень качается при реверсировании. Они добавляют минимальный объем к объему щели, а также помогают противостоять детонации, нарушая распространение пламени в объем щели, где скачки давления могут сбросить кольцо.
Канавки для уменьшения контакта уменьшают трение за счет минимизации контакта материала поршня со стенкой цилиндра над верхним кольцом. Они также разрушают скачки давления, вызванные детонацией.
Канавка аккумулятора
Канавка аккумулятора выточена в поршне между верхним (компрессионным) кольцом и вторым (скребковым) кольцом. Его цель состоит в том, чтобы обеспечить дополнительное пространство для сброса давления, сбрасываемого за верхнее кольцо, и накапливаться до того, как оно попытается пройти через второе кольцо. Он поддерживает уплотнение верхнего кольца, сбрасывая давление, и помогает уменьшить вибрацию кольца из-за изменений давления. Аккумуляторные канавки оказались наиболее эффективными, и они являются общей чертой многих, если не большинства, высокопроизводительных и гоночных поршней.
Аккумуляторная канавка обеспечивает дополнительный объем под верхним кольцом, поэтому давление не увеличивается и не пытается сдвинуть верхнее кольцо.
Качество и расположение кольцевых канавок на поршнях так же важно, как и технические характеристики распредвала. Правильное размещение кольцевой канавки и высочайшее качество уплотнения являются ключом к большей мощности и долговечности в любых тяжелых условиях эксплуатации. Следовательно, важно, чтобы вы использовали кольца, указанные производителем вашего поршня, или были готовы поделиться информацией о своем пакете колец, если вы предоставляете свои собственные кольца. ТЭЦ
Photos by Evan Perkins
Trending Pages
This Anglia Gasser Is a Drag Racing Survivor from the 1960s
2023 Porsche Taycan GTS First Test: Meeting in the Middle
The Pioneers of the Pontiac V-8: разработка гоночного двигателя
Coupe de Grade: 4.