какие кольца бывают на поршне
Поршневые кольца: виды, функции, типичные проблемы
Поршневые кольца являются неотъемлемыми элементами цилиндро-поршневой группы двигателя. Они представляют собой детали в форме незамкнутой окружности, установленные с минимальным зазором в специальные канавки на внешних поверхностях поршней.
Основная функция поршневых колец состоит в придании необходимого радиального давления для поддержания уплотнения между поршнем и цилиндром.
Рассмотрим виды, назначение и правила обслуживания колец подробнее.
Виды и функции колец
Почти во всех двигателях установлены 2 типа поршневых колец: компрессионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца
Компрессионные кольца (от трех до семи штук) вставляются в специальные пазы в верхней части поршня.
Они обеспечивают герметичность камеры сгорания, участвуют в передаче тепла от поршня к гильзе цилиндра, а также поглощают часть поршневых колебаний из-за боковой тяги.
Верхнее компрессионное кольцо имеет несколько конфигураций: оно может быть плоским, перекрученным или с L-образным участком. Верхняя и нижняя поверхности перекрученного кольца лежат в канавке под легким наклоном, контактируя с отверстием цилиндра только краями рабочей стороны.
Изделия с L-образным участком отличаются конструкцией большого выступа, имеющего форму буквы L. Уплотнительная способность таких колец зависит от силы давления газов, которая действует на заднюю часть выступа. При высоком давлении в цилиндре – например, после сгорания топливовоздушной смеси или в такте сжатия – кольца с L-образным участком увеличивают усилие, прикладываемое к стенкам. Когда давление в цилиндре низкое, они ослабляются, тем самым снижая трение и износ.
Второе (нижнее) компрессионное кольцо дополняет работу маслосъемного и обеспечивает уплотняющую функцию. Оно препятствует попаданию газов в картер, предотвращает детонацию и проникновение излишков моторного масла в камеру сгорания.
Некоторые кольца специально сделаны скошенными – для большей эффективности в удалении масла со стенок цилиндра при движении вниз. Новыми конструкциями являются кольца без зазора. Их использование способствует скорейшей приработке двигателя и более высокой мощности ДВС.
Маслосъемное кольцо
Благодаря маслосъемному кольцу с компрессионных колец, поршня и внутренней стенки цилиндра удаляется лишнее моторное масло.
После его прохода на поверхностях остается небольшая масляная пленка (толщиной в несколько микрон). В канавке маслосъемного кольца предусмотрены прорези или радиальные отверстия, по которым излишки масла возвращаются в поддон.
Выделяют 2 вида маслосъемных колец: цельные и составные. Последние состоят из двух тонких колец, а также осевого и радиального расширителей. Такие модели дешевле в производстве, поэтому встречаются чаще, чем чугунные цельные.
В некоторых случаях на поршень устанавливается не по одному, а по два цельных или составных кольца.
Функции поршневых колец
Подводя итог вышесказанному, можно выделить следующие функции поршневых колец:
Из чего изготавливают поршневые кольца?
Для производства поршневых колец используются высокопрочные виды чугуна или нержавеющая сталь. Предел прочности и теплостойкость стали выше, однако чугунные изделия дешевле, обеспечивают более легкую и быструю приработку.
Верхние компрессионные поршни из стали чаще всего обрабатываются оловом или пористым хромом (сталь становится легированной).
Увеличенным сроком службы и способностью к быстрой приработке отличаются кольца с молибденовым покрытием.
Похожие антифрикционные покрытия наносятся также на юбки поршней – в целях продления работоспособности этих важнейших элементов двигателя.
Сегодня имеется возможность использовать покрытия не только в процессе производства поршней, но и перед их установкой, заменой и в прочих незаводских условиях.
Современные антифрикционные материалы выпускаются в форме жидких средств, по консистенции напоминающих краски, или в аэрозольных баллонах. В России покрытия для деталей ДВС и узлов промышленного оборудования выпускает компания «Моделирование и инжиниринг».
Для юбок поршней, вкладышей коленчатых и распределительных валов, шлицевых соединений, дроссельных заслонок, штоков клапанов предназначено антифрикционное твердосмазочное покрытие (АТСП) MODENGY Для деталей ДВС.
Благодаря основным действующим компонентам – высокодисперсному дисульфиду молибдена высокой степени очистки и графиту – оно предотвращает появление задиров на юбках поршней, защищает их от повышенного трения и механических повреждений. В результате применения этого материала снижается шум при работе двигателя, повышается его КПД, уменьшается расход топлива.
Удобная аэрозольная упаковка позволяет наносить покрытие быстро и равномерно. Состав высыхает при комнатной температуре за 12 часов, при нагреве до +170 °C – за 20 минут.
Перед использованием материала поверхности подготавливаются с помощью Специального очистителя-активатора MODENGY, который гарантирует отличную адгезию покрытия и долгий срок его службы.
Последствия износа поршневых колец
При износе поршневых колец зазор между поверхностью детали и стенками цилиндра увеличивается. В результате газы, образующиеся при сгорании топливно-воздушной смеси, проникают в масляный картер, снижая эффективность работы двигателя и ухудшая характеристики моторного масла.
Продукты разрушения масла и сгорания бензина, в свою очередь, способствуют образованию отложений в кольцевых канавках, что приводит к снижению подвижности и залеганию колец.
Последствия износа поршневых колец легко заметить без разборки двигателя. Задуматься о смене колец следует, если обычная норма потребления масла вдруг резко возросла, а при запуске ДВС из выхлопной трубы идет синий дым (моторное мало горит).
Выбор и замена поршневых колец
От качества поршневых колец напрямую зависит срок их службы и возможности вашего двигателя, поэтому, выбирая новые комплекты этих деталей, обратите внимание на следующие моменты:
Замена поршневых колец – процедура несложная. Для снятия колец разведите их края до тех пор, пока они не выйдут из канавки. Сделать это можно небольшой плоской отверткой, но лучше специальным цанговым инструментом, который пригодится вам и при установке новых колец.
Далее очистите канавки от нагара. Без этой процедуры установить поршень обратно в цилиндр будет достаточно сложно. Для удаления загрязнений воспользуйтесь подходящим инструментом или старым компрессионным кольцом, сломанным на две части. После очистки канавок проверьте их на наличие повреждений.
Перед установкой новых колец обязательно ознакомьтесь с инструкцией – в ней содержится информация о последовательности действий и правильном расположении деталей.
Все операции проводите аккуратно, помните, что прочность нижнего компрессионного и маслосъемного колец ниже, чем у верхнего компрессионного.
Первым установите нижнее кольцо. Чтобы его случайно не деформировать, контролируйте усилия. Если на кольце имеется маркировка «TOP», его нужно располагать маркированной частью в сторону днища поршня.
После установки проверьте зазоры между боковыми поверхностями колец и стенками цилиндра. Он должен составлять до 0,1 мм. Если указанная цифра больше, предстоит менять сами поршни, возможно, в расточке или перегильзовке нуждается цилиндр.
По завершению замены колец произведите обкатку ДВС в течение 3-5 тыс. км. В процессе обкатки обязательно прогревайте двигатель после запуска, не эксплуатируйте его на высоких оборотах, избегайте длительного простоя на холостых и движения на повышенных передачах с малой скоростью.
Поршневые кольца двигателя внутреннего сгорания
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
Эти элементы ЦПГ имеют ряд важных функций:
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:
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:
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:
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:
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.
Кольца компрессионные, маслосъемные, установка
Поршневые кольца
Поршневые кольца формируют уплотнение между стенкой цилиндра и поршнем. Должны обеспечивать хорошее уплотнение по всей плоскости цилиндра в широком диапазоне температур. В четырех тактных двигателях чаще применяется три кольца, из них два компрессионных и нижнее маслосъемное.
Первое компрессионное кольцо
Предназначено исключительно для предотвращения прорыва расширяющихся газов в камере сгорания. Во время цикла «рабочий ход» нарастающее давление в камере сгорания прижимает первое компрессионное кольцо ко дну канавки поршня и сильнее прижимает к стенкам цилиндра, тем самым обеспечивая достаточную изоляцию камеры сгорания. Давление в канавке кольца сохраняется на последующих тактах не
успевая снизиться. Зазор между кольцом и канавкой составляет 0.04-0.08 мм
Защищает второе кольцо от высокой температуры сгорания и уменьшает нагрузку. Имеет наибольший теплоотвод от поршня к цилиндру, примерно 50-60% отводимого тепла от поршня к цилиндру приходится на компрессионные кольца. Некоторая часть газов прорывается, второе кольцо приступает к выполнению своих функций, об этом чуть позже.
Первое компрессионное кольцо изготавливается из высокосортного чугуна или стали, способного выдерживать высокие температуры и нагрузку при этом имея не большой коэффициент теплового расширения. Во время работы двигателя температура кольца достигает 180-210°C, в верхней мертвой точке где практически нет смазки из-за трения, достигается еще большая температура. На внешней рабочей поверхности кольца часто присутствует специальное покрытие для снижения трения. Это может быть плазменная наплавка молибдена, металлокерамики, керамики. Чаще встречается хромовое покрытие, имеющее серый матовый цвет (наносится гальваническим метолом) и своеобразную пористую структуру, позволяющую задерживать масло для большего снижения трения. Остальные поверхности имеют черный цвет в результате фосфатирования. Покрытие обеспечивает антифрикционные и антикоррозийные свойства.
Компрессионные кольца производятся не совсем круглыми, а имеют сложную форму дуги в свободном состоянии и достаточно большой концевой зазор. Когда кольцо займет свое место в поршне и будет вставлено в цилиндр, оно будет обеспечивать равномерную прижимную силу в любой точке окружности.
Второе компрессионное кольцо
Работает в более благоприятных условиях и выполняет функцию дополнительного уплотнения так же из-за специальной формы помогает маслосъемному снять излишки масла, оставляя только масленую пленку на поверхности цилиндра. Средняя температура кольца 150 — 170 °C в режиме работы. Зазор между кольцом и канавкой поршня немного ниже чем у первого 0.03-0.06 мм. Выполненно из чугуна и очень хрупкое. Разнообразие форм колец обуславливает выполнение определенных функций. Таких как распределение нагрузки в канавке, уменьшение трения юбки поршня методом аквопланирования по маслу, удаление излишек масла.
Фаска на внутренней стороне кольца определяет в какую сторону будет изгибаться кольцо. Если фаска снизу, то кольцо после нагрева будет выворачиваться наружной поверхностью вниз, как показано на картинке. И соответственно если фаска сверху, то и выворачиваться рабочая поверхность кольца будет вверх.
Маслосъемное кольцо
Под компрессионными кольцами располагается маслосъемное кольцо, выполняющее функцию удаления излишек масла со стенок цилиндра.
Большое количество масла, проникающее через компрессионные кольца в камеру сгорания, плохо сказывается на работе двигателя. В процессе работы сгорающее масло откладывается на стенках клапанов, камере сгорания, свечах, дне поршня. Большой нагар сильно разогревается, повышается вероятность детонации. Выпускные клапана подвергаются увеличенной температурной нагрузке.
Тонкий слой масленой пленки, оставляемый маслосъемными кольцами, снижает силу трения компрессионных колец, увеличивая их долговечность. В отличии от компрессионных маслосъемные не прижимаются рабочим давлением газа к плоскости канавки в поршне и стенкам цилиндра, поэтому имеют специальные осевые и радиальные расширители.
По конструкции можно выделить два типа колец: коробчатые и наборные те и другие могут иметь различные расширители.
При движении поршня вниз маслосъемные кольца соскребают со стенок цилиндра излишки масла направляя их по дренажным отверстиям в поршне обратно в картер. Масляный клин перед кольцом помогает эффективно смазывать скользящую юбку поршня. Стенки цилиндра имеют шероховатость, так называемый хон, который позволяет задерживать тончайший слой масла, для компрессионных колец.
Большее распространение получили наборные кольца, состоящие из двух тонких стальных пластин, (часто имеющих различные покрытия для снижения терния) и тангенциального расширителя, выполняющего одновременно осевое и радиальное расширение. Используются в современных двигателях.
Особенности установки маслосъемных колец
Хочу обратить ваше внимание на установку именно маслосъемных колец. С компрессионными не должно возникнуть проблем если соблюдать простые правила, устанавливать надписями вверх (надписи, точка) и пользоваться специальным инструментом.
При установки маслосъемных могут возникнуть трудности при отсутствии надписей, или правильность установки замка расширителя. Разберемся в этом подробнее. Если надписи отсутствуют, то не имеет значения какой стороной вы поставите кольцо и какое из них будет сверху, а какое снизу (наборные).
Часто ошибки возникают при установке поршня в цилиндр, даже если используется специальных хомут для стяжки колец на поршне. Особенность состоит в следующем. При сборке маслосъемного кольца стоит обратить внимание на замок расширителя и правильность его стыковки. Для наглядности смотрим изображение ниже.
Во время сжатия колец на поршне замок расширителя маслосъемного кольца может соскочить с правильного положения и лечь в нахлест собираясь по спирали, таким образом пластины проваливаются через расширитель и это приведет к задиру стенок цилиндра, и канавок поршня. Чтобы этого избежать стягивающий хомут следует располагать таким образок как показано на изображении.
Соблюдая простые правила, вы правильно установите кольца в цилиндре.
Поршневые кольца
Поршневые кольца — кольца незамкнутого типа, которые устанавливаются с минимальным зазором в специальных канавках, выполненных на внешней поверхности поршня. Поршневые кольца являются уплотнительным элементом ЦПГ, посредством которого удается добиться необходимой герметизации камеры сгорания в устройстве поршневых двигателей.
Поршневые кольца бывают двух типов:
Современные бензиновые и дизельные двигатели обычно имеют 3 кольца:
Высокофорсированные бензиновые агрегаты могут иметь только 1 компрессионное кольцо, в то время как на поршне дизельного мотора могут быть установлены 3 компрессионных кольца.
Кольца в цилиндрах двигателя работают в крайне тяжелых условиях, так как постоянно испытывают серьезные механические и тепловые нагрузки. По этой причине к материалу изготовления, конструкции поршневых колец и способу их крепления на поршне выдвигаются особые требования. Поршневые кольца изготавливаются из чугуна или упругой легированной стали. Для улучшенной износостойкости на поверхность компрессионного кольца в процессе производства наносят дополнительное покрытие. Материалом такого покрытия выступает хром или молибден.
Поршневые кольца имеют специальный замок. Замок поршневого кольца фактически представляет собой разрез. Благодаря такому замку упругое кольцо способно разжиматься и сжиматься подобно пружине.
Другими словами, поршневое кольцо представляет собой не окружность, а имеет дугообразную форму с зазором между концами в области разреза. После того, как поршневое кольцо устанавливается в цилиндр, происходит его сжатие. Зазор в области замка уменьшается до показателя 0.1- 0.5 мм, который определен конструкцией двигателя. При этом величина разреза не позволяет поршневому кольцу срываться с посадочного места на поршне.
Заклинивание поршневых колец вызывает поломку самих колец, образование задиров на зеркале цилиндров и другие повреждения. Также некоторые производители предлагают специальные поршневые кольца без зазоров.
Маслосъемные кольца устанавливаются под компрессионными, отличаются более сложной конструкцией. Маслосъемное кольцо имеет форму короба с двумя гранями, а также внутренние щели. Грани выполняют функцию скребка, посредством которого лишнее масло удаляется со стенок цилиндра. Через щели маслосъемного кольца смазка отводится к поршневым дренажным отверстиям.
Среди наиболее распространенных неисправностей отмечается износ, разрушение и потеря подвижности поршневых колец. К ускоренному износу и разрушению часто приводит детонация и перегрев двигателя, потеря подвижности возникает в результате закоксовки поршневых колец. Подобная неисправность также называется залеганием поршневых колец, при этом первыми обычно залегают маслосъемные кольца.
Что такое тепловой зазор поршневых колец. Каким должен быть оптимальный зазор на кольцах. Теловой зазор колец и повышение расхода моторного масла.
Как правильно подбирать поршневые кольца. Правильный подбор колец по размерам и материалам изготовления, как выбрать оригинальные кольца. Полезные советы.
Почему залегают поршневые кольца. Основные признаки для самостоятельного оределения неисправности, диагностика. Раскоксовка поршневых колец своими руками.
Когда необходимо производить замену поршневых колец. Как устанавливать кольца на поршень при замене своими руками. Ресурс, колец, притирка и обкатка.
Назначение поршня в конструкции ДВС. Особенности и устройство поршня, маслосъемные и компрессионные кольца.
Назначение цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания. Особенности конструкции, поршень, кольца, гильза цилиндра. Износ и ремонт ЦПГ.