В середине мая в Алматы на базе учебного центра компании Phaeton DC состоялся технический семинар по поршневым кольцам NPR. Занятие блестяще провел приглашенный технический специалист Юрий Крыжановский.
В первой части семинара состоялось знакомство мастеров и менеджеров автосервисных станций с историей компании NPR (Nippon Piston Ring), путь которой в большой бизнес начался в 1934 году, когда ее завод начал выпускать первые поршневые кольца. Во второй половине XX века японской компании было очень непросто выйти на европейский рынок постпродажного обслуживания автомобилей, и уж тем более не могло быть речи о поставках на автосборочные конвейеры. Поэтому в 1973 году был организован немецко-японский альянс, который под брендом SM вывел продукцию на рынок Европы.
В начале 2000-х годов условия работы в Европе изменились, и это побудило японских производителей организовать дочернюю компанию NPR of Europe, сокращенно – NE. Под данным брендом NPR продолжил поставки, а в 2014 году компания снова произвела ребрендинг, изменив логотип.
Изначально компания занималась производством деталей цилиндропоршневой группы, изготавливая гильзы цилиндров, поршни, поршневые пальцы, вкладыши, кольца и подшипники скольжения. Сегодня ассортимент стал еще шире и продолжает дополняться. Сейчас только поршневых колец существует уже около 1200 артикулов по европейским и азиатским маркам машин, по вкладышам – около 2200 артикулов, поршней – около 670 артикулов. Буквально год назад ассортимент расширился прокладками головки блока цилиндров. Также компания производит масляные насосы, на сегодня около 60 наименований.
Заводы компании NPR расположены по всему миру, в разных частях света, но что важно – поршневые кольца изготавливаются только на заводах в Японии. Девиз компании таков: «Создано в Японии, надежно по всему миру».
Конвейерными клиентами компании NPR являются Mercedes, Audi, BMW, Ford, Volkswagen, Renault, Volvo и другие автопроизводители. Конечно же, компания закрывает и большую часть потребностей азиатского автопрома, поставляя компоненты для Toyota, Nissan, Mitsubishi и многих других брендов. При этом именно Toyota является основным акционером компании «NPR Япония».
NPR активно участвует в спортивных соревнованиях, поставляя для гоночных болидов поршневые кольца и некоторые передовые технологические решения, такие, например, как высокопрочное титановое покрытие. Нередко инженерные решения перекочевывают затем в серийное производство гражданских автомобилей.
Материал, из которого изготавливается поршневое кольцо, должен иметь определенные характеристики. Во-первых, он должен обеспечивать хорошее скольжение по стенкам цилиндра, во-вторых, должен обладать высокой термоустойчивостью и теплопроводностью. И в-третьих, он должен иметь хорошую сопротивляемость усталости металла.
Два основных материала, применяемых для изготовления поршневых колец, – это чугун и сталь. Сильная сторона чугунных колец заключается в хорошем скольжении за счет присутствия в чугуне графита, дающего эффект сухой смазки. Сталь же более прочна и упруга, за счет чего кольца из стали обеспечивают лучшее уплотнение. Еще один плюс стального кольца в том, что оно может быть высотой 0,6 мм, в то время как минимум для чугуна составляет около 1,5 мм. Кромка для чугунного кольца также должна быть шире, чем для стального.
Сегодня стальные поршневые кольца выбирает все большее число автопроизводителей, так как они по рабочим характеристикам точнее соответствуют общей тенденции моторостроения. Такие кольца в начале 1990-х годов стали устанавливать на автомобили Mercedes, затем практику приняли Volkswagen, Audi и BMW, а в последующем – 90% азиатских автопроизводителей.
Почему же именно стальные поршневые кольца стали так популярны и сместили в прошлое кольца из чугуна? В современном двигателе присутствует 4 вида основных нагрузок – высокие температуры, давление газов, трение и инерция. При частоте 4000 оборотов в минуту поршню приходится совершать 8000 поступательных движений, или около 130 в секунду. При этом кольцо бьется о поршневую канавку. И если принимать во внимание два первых вида нагрузки, то мы понимаем – кольцо должно быть массивным. Но рассматривая остальные два вида нагрузки, мы приходим к выводу, что кольцо необходимо делать как можно более миниатюрным. Это противоречие решает сталь. И если ранее высота кольца была около 3 мм, то сегодня кольца становятся все ниже, высота первого компрессионного кольца может быть около 1 мм, второго – 1,2 мм, а маслосъемного – порядка 2 мм. Такие кольца устанавливаются, например, в двигатели Audi. Кольцо, которое применяется в автоспорте, имеет высоту 0,8 мм, но и его уже можно обнаружить в Toyota Prius.
Впрочем, уменьшение размеров коснулось не только колец, но и самих поршней. Те облегченные поршни, которые раньше можно было встретить только в автоспорте, сейчас работают в обычных серийных автомобилях. Но, несмотря на уменьшение размера и веса колец и поршня, нагрузки на них приходятся все те же, а то и выше.
Функции поршневых колец
Как известно, основная функция поршневых колец – обеспечение рабочего давления в камере сгорания. Вторая функция – отвод тепла от поршня к стенкам цилиндра и дальше к рубашке охлаждения. Через кольца с поршня отводится около 60% тепла. Третья функция колец – распределение и снятие масла со стенок цилиндра. Маслосъемное кольцо должно не только снять масло, но и обеспечить тонкую защитную пленку на хонингованном покрытии цилиндра. И тут важно соблюсти указанные автопроизводителем зазоры, чтобы смазывание было достаточным, но не избыточным. Четвертая функция поршневых колец – компенсация нарушения геометрии стенок цилиндра и поршня, которое возникает вследствие перегрева двигателя либо ввиду его физического износа в ходе многолетней эксплуатации. Идеально подогнать размер поршня к размеру цилиндра нельзя, так как в рабочем процессе неизбежен, с одной стороны, износ трущихся поверхностей, с другой – тепловое расширение деталей. В данной ситуации кольца компенсируют и выравнивают разнонаправленный процесс. Поэтому так важно правильно установить кольца, чтобы, с одной стороны, обеспечить беспрепятственное движение, а с другой – не допустить прорыва газов в картер двигателя. Понятно, что идеально соблюсти баланс невозможно, существует некоторый допуск выхода газов в картер – около 0,5% от общего объема горючей смеси.
О покрытии и форме
В некоторых двигателях устанавливаются кольца с хром-керамическим, хром-алмазным покрытием или напылением из оксида алюминия. Маркировка PVD-TIN, например, означает, что кольцо покрыто нитритом титана, кромка кольца при этом имеет золотистый цвет. Именно такие кольца устанавливаются в двигатели гоночных автомобилей. Маркировка PVD-CrN свидетельствует о покрытии кромки кольца нитритом хрома, которое по прочности превосходит нитрит титана. Кольца с данным покрытием используются в основном в дизельных двигателях.
Поршневые кольца с различным покрытием
Высокотехнологичное покрытие осуществляется путем осаждения из газообразной фазы, то есть деталь помещается в вакуумную камеру, где распыляется наносимый материал, который затем очень тонким слоем ложится на рабочую поверхность кольца.
Производят также азотирование всей поверхности кольца. Ресурс обработанных колец увеличивается в 3–6 раз по сравнению с необработанными. В некоторых случаях на поверхность колец наносят еще и тонкий слой олова. Делается это для лучшей притирки колец. Кольцо имеет больший диаметр, чем поршень и цилиндр, но при монтаже кольца радиальное усилие, пытающееся его распрямить, обеспечивает плотное прилегание к стенкам цилиндра. Правда, решающую роль в уплотнении играет все же не упругость кольца, а давление газов при воспламенении горючей смеси.
Казалось бы, в идеале давление должно распределяться равномерно по всей поверхности кольца. Такая эпюра называется симметрической, и она актуальна для высоконагруженных моторов. Но в ней есть существенный недостаток – вследствие разомкнутой структуры кольца оно вибрирует как радиально, так и по вертикальной оси. В этом случае ускоряется износ как самого кольца, так и стенок поршневой канавки. Для устранения вибраций большинство автопроизводителей стали использовать кольца с так называемым грушевидным или позитивно-овальным распределением давления. В таких кольцах увеличение давления приходится на замок.
Форма рабочей кромки компрессионных колец может быть цилиндрической, конической или трапециевидной. Смысл в том, что выпуклая трущаяся поверхность кольца после монтажа обеспечивает 100-процентное уплотнение.
Инструмент для очистки канавок, в которые устанавливаются поршневые кольца
Тепловой зазор
Очевидно, что необходимо обеспечивать при подборе кольца и тепловой зазор, иначе работающий поршень изогнет его пропеллером или даже приведет к заклиниванию мотора. Необходимо иметь в виду, что производители современных двигателей перестали придерживаться традиционных показателей теплового зазора, которые раньше диктовались диаметром поршня и материалами, из которых изготовлены детали. Ранее было принято оставлять больший зазор для первого компрессионного кольца, так как оно подвергается воздействию более высоких температур. На первом кольце зазор выставлялся, к примеру, от 20 до 30 сотых миллиметра, на втором – от 15 до 25 сотых. Сейчас тенденция такова, что зазор первого компрессионного кольца уменьшается, а второго – увеличивается. Делается это для того, чтобы лучше снимались остатки масла, чтобы они не попадали из-под первого кольца в камеру сгорания.
В любом случае, подбирая кольца и устанавливая зазоры, следует ориентироваться на рекомендации автопроизводителя. Тепловой зазор всегда замеряется по наименее изношенным участкам гильзы, для того чтобы не допустить заклинивания поршня.
Кроме теплового зазора необходимо учитывать перемещение кольца в поршневой канавке, ведь этот ход обеспечивает кольцу самоочистку. Оптимальный зазор у разных автопроизводителей колеблется от 5 до 10 сотых миллиметра. Если он окажется больше рекомендованного показателя, возрастут ударные нагрузки и процесс износа кольца, а также значительно ускорится износ стенок поршневой канавки. Во-вторых, в камеру сгорания начнет попадать масло.
Для того чтобы зазор оказался в рамках предписанных параметров, нужно применять специальный инструмент, очищающий канавку при помощи сменных резцов разного размера.
Расширитель для корректной установки поршневого кольца
Этого делать нельзя!
Почему для очистки канавки на поршне нельзя использовать обломок старого кольца, как это до сих пор делают большинство сервисменов? Прежде всего потому, что обломком можно повредить канавку поршня, при этом еще и не убрав все загрязнения.
Нельзя проверять качество колец сжатием и изгибанием, так как при этом может быть нарушено тонкое покрытие, наносимое на рабочую плоскость. Во-вторых, даже немного изменив геометрию кольца, можно нарушить его оптимальное прилегание к стенкам цилиндра и к канавке.
Наибольшая динамическая нагрузка на кольцо приходится как раз на стадии монтажа. Особенно если монтаж осуществляется не с помощью специального расширителя и обжимного кольца, а при помощи пальцев. Дело в том, что для разгибания тонкого кольца мастер держит его как минимум четырьмя пальцами и ему ничего не стоит деформировать деталь.
Износ поршневых колец ускоряется при неправильном хонинговании стенок цилиндра, при нарушении регламента замены воздушного фильтра и моторного масла, при заливании некачественного или неподходящего моторного масла.
Еще одна ошибка монтажа – несоблюдение положения «верх – низ» при установке колец конической формы. Для того чтобы не перепутать положение кольца, следует обращать внимание на маркировку и не забывать сверяться с инструкцией.
Обжимное устройство для корректного погружения поршня в гильзу
Правила монтажа
На упаковке ответственного производителя, как правило, присутствует текстовая и графическая информация о месте кольца на поршне, а на самом кольце есть обозначение, указывающее, что эта плоскость кольца должна смотреть вверх.
Замки колец на поршне должны свободно вращаться и при установке поршня в цилиндр располагаться под углом 120 градусов по отношению друг к другу.
Маслосъемные кольца бывают 3-компонентными наборными, и при их установке нужно иметь в виду, что нельзя допускать наложения друг на друга концов распорной пружины. Сначала следует установить распорную пружину, затем монтировать кольца так, чтобы замки расположились под углом в 30 градусов.
В ходе семинарского занятия собравшиеся не только приобрели ценные теоретические знания, но и смогли подробно ознакомиться с образцами продукции компании NPR, получили ответы на интересующие вопросы, обменялись мнениями по актуальной профессиональной проблематике.
Помимо этого организаторы семинара пополнили рабочий арсенал мастеров автосервиса, преподнеся в подарок каждому слушателю набор инструментов, необходимых для грамотной, квалифицированной установки поршневых колец.
Текст: Андрей Сафонов, фотоматериал редакции и компании Bilstein