На поршневые кольца возлагается наибольшая ответственность за надежную и эффективную работу двигателя. С момента появления поршневые кольца много раз подвергались модификации, при которой изменялись не только материалы, но и формы колец. На сегодняшний день существует более 20 различных форм поршневых колец, ведь не может быть единого решения для всех двигателей, работающих в разных условиях и имеющих разные технические характеристики.
Одной из задач моторостроителей является оптимизация распределения давления по всей окружности кольца для эффективного уплотнения. Казалось бы, все просто – наиболее оптимальным является равномерное распределение давления по всей окружности кольца (рис. 1а). Такое распределение раньше применялось в большинстве двигателей, но в современных высокоскоростных двигателях пришлось искать другие решения, так как на высоких оборотах на концах поршневого кольца возникает вибрация, при которой снижается плотность их прилегания к стенкам цилиндра, а также повышаются ударные нагрузки на стенки поршневой канавки, что приводит к преждевременному износу поршня. Убрать эффект вибрации удалось с внедрением «позитивно-овального» распределения давления (рис. 1б) за счет придания кольцу овальной формы. После монтажа увеличение давления на «полюсах» приводит к вытеснению концов поршневого кольца и, соответственно, к увеличению давления в районе замка.
Ни для кого не секрет, что, несмотря на свое название, компрессионные поршневые кольца выполняют не только функцию герметизации камеры сгорания, но и частично маслосъемную функцию. Справиться с двумя задачами одновременно кольцу помогает специально разработанный профиль.
Цилиндрические
Цилиндрические кольца (рис. 2) имеют в разрезе прямоугольную форму и устанавливаются в основном в качестве первого компрессионного кольца, выполняющего только функцию уплотнения. Чугунные цилиндрические кольца в процессе приработки приобретают округлую форму рабочей поверхности, которая оптимизирует пятно контакта и улучшает герметизацию. При использовании сверхпрочных покрытий рабочей поверхности подобный процесс притирки занимал бы очень много времени, поэтому округлую форму таким кольцам придают на стадии производства, что обеспечивает необходимое пятно контакта сразу же после монтажа.
Рис. 2 Цилиндрические кольца
Конические
За счет своей формы конические кольца (рис. 3) успешно совмещают и компрессионную, и маслосъемную функцию. Расположение рабочей поверхности кольца под определенным углом по отношению к стенке цилиндра уменьшает пятно контакта, тем самым снижается трение при движении поршня к верхней мертвой точке и улучшается функция снятия масла при движении в обратном направлении.
Рис. 3 Конические кольца
Скребковые
Выполняя маслосъемную функцию, компрессионные кольца подвергаются эффекту планирования на клине масляной пленки, при этом их уплотняющая функция может существенно ухудшаться, что приводит к попаданию масла в камеру сгорания. Наиболее сильно эффект проявляется при использовании чугунных колец, радиус кромки которых не может быть менее 0,2–0,3 мм из-за хрупкости материала (для сравнения: радиус кромки стальных колец можно уменьшить до 0,1 мм). Скребковые кольца (рис. 4) на рабочей поверхности имеют специальную фаску, которая позволяет не создавать перед кольцом масляную волну, а отвести ее в сторону (рис. 5), тем самым уменьшая эффект планирования.
Рис. 4 Скребковые кольца
Рис. 5 Скребковые кольца, отвод масла
Трапециевидные и полутрапециевидные
В высоконагруженных бензиновых, а также в дизельных двигателях, склонных к повышенному образованию нагара и сажи, существует риск заклинивания кольца в поршневой канавке. Это грозит не только ухудшением герметизации камеры сгорания, но и более опасными последствиями. Дело в том, что большинство двигателей оснащены поршнями, которые не имеют принудительного охлаждения (канал для циркуляции масла или же разбрызгивание масла), а, соответственно, именно поршневые кольца являются основным проводником тепла от поршня к стенкам цилиндра и далее к охлаждающей жидкости. Заклинивание кольца в поршневой канавке приводит к перегреву поршня, его деформации или же к полному разрушению. Во избежание подобных ситуаций применяются кольца трапециевидной или полутрапециевидной формы (рис. 6), которые при перекладывании поршня обеспечивают эффект самоочистки поршневой канавки (рис. 7) и не допускают заклинивания кольца.
Рис. 6 Трапецевидные кольца
Рис. 7 Самоочистка трепецевидного кольца
Маслосъемные коробчатые кольца
В отличие от компрессионных маслосъемные кольца выполняют только одну, но очень важную функцию – распределение и снятие масла со стенок цилиндра. Это необходимо для преобразования механического трения в гидравлическое, которое существенно снижает износ как самих колец, так и сопряженных компонентов цилиндропоршневой группы.
Коробчатые маслосъемные кольца (рис. 8) сами по себе имеют очень низкий коэффициент упругости, что не позволяло первым коробчатым кольцам эффективно выполнять свои функции. Современные коробчатые кольца имеют пружину-расширитель (рис. 9), обеспечивающую оптимальное прилегание кольца к стенкам цилиндра. Наличие смещенных либо симметричных фасок на рабочей поверхности таких колец позволяет оптимизировать пятно контакта и улучшить эффективность работы.
Рис. 8 Коробчатые маслосъемные кольца
Рис. 9 Коробчатое кольцо с пружиной-расширителем
Маслосъемные трехкомпонентные кольца
Все больше производителей автомобилей отдают предпочтение трехкомпонентным или же «наборным» маслосъемным кольцам, которые состоят из пружины-расширителя и двух независимых колец (рис. 10 и 11). Патент на трехкомпонентные кольца конструкции Nifflex был приобретен компанией Nippon Piston Rings еще в 60-х годах прошлого столетия. Такая конструкция позволяет двум составляющим кольцам двигаться независимо, тем самым улучшая маслосъемную функцию.
Рис. 10 Трехкомпонентные маслосъемные кольца
Рис. 11 Трехкомпонентное маслосъемное кольцо
Положение поршневых колец при монтаже
При монтаже колец на поршень очень важно не только использовать надлежащие инструменты, но и правильно определить, какой стороной кольцо должно быть расположено по направлению к камере сгорания. Компания NPR of Europe всегда наносит маркировку на верхней стороне кольца. Исключение составляют только трехкомпонентные маслосъемные кольца, которые имеют симметричную форму, а, соответственно, сторона монтажа не имеет значения.
Рис. 12 Маркировка положения колец
Неправильное позиционирование поршневых колец приводит к нежелательным последствиям, таким как:
- потеря мощности двигателя;
- увеличенный расход топлива;
- повышенный расход масла;
- ускоренный износ поршневых колец и сопряженных деталей цилиндропоршневой группы.
Правильный монтаж поршневых колец – залог долговечной работы двигателя!
Публикуется на правах рекламы.