Рассматривая принцип работы двигателя внутреннего сгорания, можно понять, что основные процессы проходят в цилиндрах. Причем для этого требуется создание определенных условий, одним из которых является обеспечение герметичности камеры сгорания – пространства, находящегося над поршнем. При этом сам поршень – подвижный элемент, который перемещается внутри цилиндра, то есть между ними имеется скользящее соединение.
Стоит отметить, что диаметр поршня должен быть меньше внутренних размеров цилиндра. А все потому, что проходящие в цилиндрах процессы сопровождаются выделением значительного количества тепла. Из-за воздействия большой температуры металлы расширяются. Если бы диаметр поршня был равен цилиндру, то при нагреве происходило бы заклинивание. Получается, что между этим элементами имеется зазор, то есть герметичности не будет. Чтобы решить эту проблему, в конструкцию ЦПГ добавлен еще один элемент – специальные кольца, установленные на поршнях.
Назначение, виды, особенности
Устройство поршня
Эти элементы ЦПГ имеют ряд важных функций:
- Обеспечивают герметичность камеры сгорания.
- Осуществляют регулировку количества смазочного материала, используемого для смазки стенок цилиндра, а также предотвращают его попадание в надпоршневое пространство.
- Выполняют отвод тепла от поршня цилиндру.
Функционирование поршневых колец проходит в достаточно сложных условиях – высокотемпературное воздействие, значительные механические нагрузки, возникающие не только от постоянного воздействия газов, но и от повышенного трения из-за недостатка смазочного материала в области днища поршня.
Одно кольцо не справилось бы с поставленными задачами, поэтому на поршень устанавливается несколько элементов, каждое из которых выполняет определенные функции. Все поршневые кольца делятся на два типа:
- компрессионные (предназначенные для обеспечения герметичности),
- маслосъемные (выполняют регулировку количества смазки в ЦПГ).
Общее количество может быть разным и зависит от конструктивных особенностей силовой установки. Наибольшее распространение получила трехкольцевая компоновка (2 – компрессионных, 1 – маслосъемное). Но есть двигатели, у которых их количество может достигать и 7 штук. А к примеру, на двухтактных двигателях устанавливается только два компрессионных, а маслосъемное не используется.
Все используемые кольца – незамкнутого типа. То есть, они не сплошные (его просто невозможно было бы установить в поршневую канавку), и в нем имеется вырез, кстати, играющий тоже важную роль.
В разжатом состоянии кольца сделаны в форме овала, при этом расстояние между концами значительное. Это дает возможность без проблем надеть его на поршень и установить его в специальную канавку в нем. При посадке в цилиндр оно принимает правильную круглую форму, что обеспечивает прилегание по всей окружности, при этом вырез (замок) уменьшается, и этот зазор составляет всего 0,15-0,5 мм. Этот зазор является тепловым, и в его задачу входит компенсация размеров в результате теплового расширения.
Поскольку есть зазор, то газы могут через него проходить в подпоршневое пространство. Чтобы исключить этот фактор и устанавливается два компрессионных кольца. Они создают так называемое уплотнение лабиринтного типа, для чего замок первого кольца развернут на 180 град. относительно второго. Но даже такое решение не обеспечивает полной герметизации надпоршневого пространства и часть газов проникает в картер.
Видео: Теория ДВС: Поршневые кольца (часть 2)
Отметим, что установка дополнительного третьего компрессионного кольца хоть позволяет снизить утечки, но при этом сила трения в ЦПГ сильно возрастает, поэтому такое решение является нецелесообразным.
Компрессионные кольца
Основная нагрузка приходится на первое компрессионное кольцо, расположенное ближе всего к днищу поршня. Его основная задача – обеспечение герметичности камеры сгорания. Именно на него приходится больше всего высокотемпературного воздействия и давления газов, и все это в условиях нехватки смазочного материала. Чтобы максимально снизить трение между стенкой и кольцом, у последнего рабочая поверхность делается закругленной. Также уменьшить износ верхнего кольца при функционировании в тяжелых условиях позволяет молибденовая или хромовая вставка, нанесенная напылением на поверхность, но само оно делается из эластичного высокопрочного чугуна, но иногда используется и сталь.
Видео: 2.0 Теория ДВС: Ошибка установки маслосъемного наборного поршневого кольца
Примечательно, что рабочие газы принимают участие в создании герметичности камеры сгорания. Для этого высота кольца несколько меньше высоты канавки. Через образуемый зазор газы проникают внутрь канавки и начинают давить на внутреннюю поверхность кольца, дополнительно прижимая его к стенке.
Некоторые производители занимаются выпуском так называемых «неразъемных» компрессионных колец. На деле же оно состоит из двух плоских колец, которые после посадки на поршень, замками разворачиваются на 180° относительно друг друга. По сути, такая конструкция позволяет осложнить лабиринтное уплотнение, тем самым снизив количество пропускаемых газов.
Второе компрессионное кольцо выполняет две задачи. Во-первых, оно является элементом лабиринтного уплотнения и предотвращает проникновение прорвавшихся через верхнее кольцо газов в подпоршневую полость. А во-вторых, оно принимает участие в регулировке количества смазки на стенках цилиндра. Этот элемент обладает специфической формой рабочей поверхности (конусную или Г-образную). Такая поверхность играет роль скребка, снимающего излишки смазки со стенок, и сбрасывает его к маслосъемному кольцу. Поэтому его еще еще называют скребковым.
Поскольку оно воспринимает значительно меньшие нагрузки, чем первое, то в его конструкции не используются высокопрочные напыления, оно изготовлено полностью из пластичного чугуна.
Маслосъемные кольца
В задачу маслосъемных колец входит регулировка толщины масляной пленки на стенках цилиндра, именно регулировки, а не полного удаления смазочного материала. Если масла будет недостаточно, то сила трения будет увеличена, что приведет к быстрому износу колец, а также возможному появлению задиров на стенках цилиндров. Большое же его количество при сгорании в камере сгорания будет оседать в виде нагара на всех поверхностях внутри ее.
Конструктивно этот элемент самый сложный и он единственный, которое имеет дренажные отверстия для отвода снятого масла. На автомобилях могут использоваться два их типа:
- П-образные.
- Составные.
Рабочими элементами П-образного кольца являются две кромки, которые соскабливают смазочный материал со стенок. Причем масло, снятое верхней кромкой проходит через отверстия дренажа и по каналам, проделанным в поршне, стекает вниз. Смазка же, соскобленная нижней кромкой уходит вниз по стенкам юбки поршня и цилиндра.
Видео: Поршни вставляем в блок цилиндров
Чтобы обеспечить необходимое прижатие к поверхности, используются специальные тангенциальные расширители:
- спиральные,
- пластинчатые,
Устанавливаются эти расширители в поршневую канавку под кольцо. Для спирального расширителя на внутренней поверхности кольца проделывается специальный паз.
Составные маслосъемные кольца отличаются разборной конструкцией, включающей в себя несколько элементов, а именно две плоских кольцевых пластины (изготовленные из стали и покрытые хромом), между которыми помещается два расширителя – тангенциальный и осевой. В некоторых случаях используется только один расширитель, обеспечивающий расширение в обоих направлениях.
Основные неисправности
Поскольку эти элементы ЦПГ находятся в постоянном контакте со стенкой цилиндра, то главной их неисправностью является износ рабочих поверхностей. Ресурс этих элементов во многом зависит от материала изготовления и условий эксплуатации, и он может варьироваться от 150 тыс. до 1 млн. км.
Но несоблюдение правил эксплуатации может значительно сократить их срок службы. Повлиять на ресурс могут:
- Несвоевременная замена смазочного материала в силовой установке.
- Использование низкокачественного топлива.
- Частая эксплуатация авто в условиях пробок или кратковременные поездки.
- Создание чрезмерно больших нагрузок на силовую установку.
- Перегрев мотора.
Основными признаками сильного износа поршневых колец является сильное падение компрессии, вследствие чего падают мощностные и динамические показатели авто и увеличивается расход топлива, а также значительное повышение расхода смазочного материала.