Поршневые кольца: какую функцию они выполняют?

Поршневые кольца являются неотъемлемым элементом любого двигателя. Они представляют собой незамкнутные кольца, которые установлены в специальные канавки на внешних поверхностях поршней с очень маленьким зазором. Рассмотрим основные виды поршневых колец, их назначение и обслуживание.

Виды поршневых колец

Поршневые кольца бывают:

• Компрессионными

• Маслосъемными

Компрессионные кольца обеспечивают герметичность камеры сгорания. Обычно на поршень устанавливают не более 3 таких колец, так как при этом возрастают потери на трение, а степень уплотнения поршня увеличивается не намного. Различают верхнее и второе компрессионные кольца.

У верхнего достаточно много различных вариаций. Например, такое кольцо может иметь преднамеренное перекручивание, когда нижняя и верхняя поверхности детали имеют небольшой наклон в канавках (кроме краев рабочей поверхности, которые взаимодействуют с отверстием цилиндра). Такая конструкция позволяет ускорить приработку поверхностей колец и стенок цилиндра, а также обеспечить уплотнение самой детали в верхней и нижней части посадочной канавки.

Помимо плоских и перекрученных колец существуют изделия с L-образным участком. Их уплотнительная способность зависит от силы давления газов, которая действует на заднюю часть большого выступа, имеющего форму буквы L. При высоком давлении в рабочем цилиндре эти кольца увеличивают усилие, прикладываемое к стенкам, например, после сгорания топливно-воздушной смеси или в такте сжатия. Когда давление в цилиндре невысокое, кольцо ослабляется, тем самым снижая износ и трение.

Второе компрессионное кольцо обеспечивает дополнительное уплотнение после маслосъемного. Оно служит для того, чтобы газы, идущие мимо верхнего кольца, не попадали в картер. Нагрузки и температуры в зоне второго кольца ниже, поэтому его конструкция и материалы имеют меньшее значение. Еще одной функцией второго компрессионного кольца является предотвращение детонации и проникновения излишков моторного масла в камеру сгорания.

Некоторые из таких деталей имеют скошенную конструкцию. Вверх они двигаются по слою масла, а при движении вниз удаляют его излишки.

Существует новая конструкция второго компрессионного кольца – без зазора. Такие детали ускоряют приработку двигателя при обкатке, а также незначительно повышают мощность силового агрегата на стенде. Это достигается благодаря максимальному уменьшению видимого зазора для прохождения газов. Потребность в таких кольцах обусловлена работоспособностью остальных колец. Например, если верхнее компрессионное кольцо обеспечивает достаточную герметизацию, то важность второго беззазорного кольца уменьшается.

Маслосъемные кольца снимают лишнее моторное масло, которое смазывает уплотнительные кольца, поршень и поверхность цилиндра. Они сконструированы таким образом, чтобы после их прохода на поверхностях оставалась небольшая масляная пленка толщиной в несколько микрон. В канавках маслосъемных колец предусмотрены прорези или радиальные отверстия, по которым излишки моторного масла возвращаются в поддон.

Выделяют 2 вида маслосъемных колец: составные с пружинами-расширителями и чугунные литые с прорезью. Составные включают два тонких кольца (верхнее и нижнее), а также осевой и радиальный расширители. Такие модели дешевле в производстве, поэтому их устанавливают чаще, чем литые чугунные. В некоторых случаях на поршне имеются два литых или составных кольца. Чугунные кольца для стабилизации прижима снабжаются специальным пружинным расширителем.

Функции поршневых колец

Подводя итог вышесказанному, можно выделить следующие функции поршневых колец:

• Компрессия: кольца обеспечивают герметичность камеры сгорания, и газы, возникающие при сгорании топливно-воздушной смеси, не проникают через зазоры между цилиндром и поршнем; это позволяет эффективнее сжимать топливо
• Экономия расхода масла: она обеспечивается благодаря маслосъемным кольцам, которые убирают часть смазочного материала со стенок цилиндра и направляют их обратно в картер
• Теплообмен: поршневые кольца отводят тепло, которое возникает при сгорании топливно-воздушной смеси, от поршня к стенкам цилиндра; в результате двигатель защищен от перегрева
• Снижение горизонтальных колебаний поршня: благодаря плотной посадке кольца не дают поршню «гулять» в горизонтальном направлении, что предотвращает износ цилиндро-поршневой группы двигателя.

Из чего изготовлены кольца?

Как правило для производства поршневых колец используется высококачественный серый или ковкий чугун, а также легированная сталь. У последних предел прочности и теплостойкость выше, но чугунные дешевле. Кроме того, они обеспечивают более легкую и быструю приработку.

Если кольца стальные, то чаще всего их обрабатывают специальными материалами. Верхние – оловом или пористым хромом, вторые – молибденовым покрытием, которое наносят методом легирования. После установки таких колец вначале происходит приработка детали с менее твердым молибденовым покрытием, а затем функции уплотнения переходят к более долговечному хромированному кольцу.

Ранее в двигателях, ресурс обслуживания которых менее 100 тыс. км, использовались чугунные кольца без какого-либо покрытия. Ввиду низкой точности старых деталей это решение было вынужденным. Кроме того, количество колец варьировалось от 4 до 6 штук, их высота была больше современных.

На двигателях последнего поколения большим числом колец оснащаются только крупногабаритные модификации – для более эффективного отвода тепла от поршня.

Типичные проблемы поршневых колец

При износе поршневых колец увеличивается зазор между поверхностью детали и стенками цилиндра. При воспламенении топливно-воздушной смеси отработанные газы могут проникать в масляный картер, тем самым снижая эффективность работы двигателя. Подобные пропуски также влияют на срок службы моторного масла и его рабочие характеристики.

При залегании колец может произойти то же самое. Раскаленные газы, проникающие из камеры сгорания, способствуют разрушению масла и образованию отложений в кольцевых каналах. Это приводит к залеганию колец в канавках, что влечет за собой снижение их подвижности, образование зазора между стенкой цилиндра и кольцами.

Последствия износа поршневых колец легко заметить без разборки двигателя. При увеличенном потреблении масла из выхлопной трубы выходит синий дым, означающий, что моторное масло горит. Особенно это заметно при запуске двигателя, до того, как он наберет рабочую температуру и кольца расширятся в цилиндре.

Вместе с поршневыми кольцами изнашиваются и сами поршни в области юбок. Образованию задиров наиболее подвержены детали без специального покрытия. Раньше его могли наносить только на заводе-изготовителе, сегодня такая возможность есть у любого автовладельца.

В России покрытие для поршней выпускает компания "Моденжи".

Замена поршневых колец

Замена изношенных поршневых колец – процедура достаточно простая. Для снятия кольца нужно развести его края в области замка до тех пор, пока оно не выйдет из канавки. Это можно сделать как специальными щипцами, так и небольшой плоской отверткой.

Далее нужно очистить канавки поршня от нагара. Если этого не сделать, то после замены колец установить поршень обратно в цилиндр будет сложно. Для удаления нагара можно воспользоваться специальным инструментом или старым компрессионным кольцом, сломанным на две части.

После этого следует ознакомиться с инструкцией по установки колец, которая идет в комплекте с новыми деталями. В ней содержится информация о последовательности их установки и правильном расположении. Помимо этого указывается верхняя и нижняя часть кольца. Новую деталь следует устанавливать специальной метке.

При установке нужно быть аккуратным, так как среднее компрессионное и нижнее маслосъемное кольца менее прочные, чем верхнее.

После очистки канавок от нагара проверьте их радиусы и боковые поверхности на предмет повреждений.

Установку поршневых колец с помощью специального цангового устройства начинайте с нижнего. Обязательно контролируйте свои усилия во избежание деформации новых деталей. Кольца с маркировкой "TOP" располагайте маркированной стороной в сторону днища поршня.

Кольца с эспандерными пружинами устанавливайте таким образом, чтобы место стыка было размещено с учетом рекомендованного смещения на 180° относительно стыка поршневого кольца.

После установки проверьте зазоры боковых поверхностей. Они должны составлять до 0,1 мм. Если это значение больше, следует менять сами поршни.

Во время монтажа также учитывайте степень износа зеркала цилиндра. Если она не укладывается в 0,1 мм, то блок цилиндров следует расточить под размер ремонтных поршней или перегильзовать.

После замены колец произведите обкатку двигателя в течение 3-5 тыс. км. Обкатка включает в себя стандартные действия: прогрев двигателя, запрет на движение с высокими оборотами, длительный простой на холостых оборотах, движение на повышенных передачах с малой скоростью и т.д. После обкатки в течение 5-10 тыс. км не следует давать большие нагрузки на двигатель.