Маслосъемные кольца как работают

Маслосъемные кольца: как определить износ и заменить

В силовой установке существует два типа поршневых колец, это компрессионные и маслосъемные.

Компрессионные кольца служат для уплотнения между телом поршня и зеркалом цилиндра, создавая компрессию в процессе своей работы. При этом верхнее кольцо на поршне чисто компрессионное, а второе компрессионно-маслосъемное, за счёт выточки в виде скребка. Самое нижнее кольцо на поршне является только маслосъемным.

МСК — Маслосъемное кольцо

Маслосъемные необходимы для отвода теплоты от тела поршня. Это происходит благодаря тому, что кольца при работе прижимаются к зеркалу цилиндра и отдают теплоту от нагретого поршня к цилиндру. Цилиндр же в свою очередь, отдает тепло охлаждающей жидкости, циркулирующей в рубашке охлаждения снаружи цилиндров. Также они необходимы для защиты камер сгорания от излишков масла, путем снятия его с зеркала цилиндров.

Поршень, компрессионные и маслосъемные кольца

Конструкция

По конструкции маслосъемные кольца могут быть цельными и наборными, то есть состоящими из нескольких частей.

Цельные кольца состоят из двух частей, это само кольцо и спиральная пружина, создающая дополнительную упругость кольцу.

A) Цельное маслосъемное кольцо Б) наборное кольцо

Наборные кольца выполнены из трех элементов, это два тонких кольцах с радиальным расширителем между ними. Замки колец разведены друг от друга. За счет того, что каждое из колец может работать самостоятельно, то есть изменяя силу упругости в разных точках, например, при переходе поршня в нижней мертвой точке, когда поршне пытается повернуться, наборное кольцо более тщательнее снимает лишнее масло с цилиндра, чем сплошное кольцо.

Поэтому мотористы при выполнении планового ремонта по замену колец или при капитальном ремонте двигателя, придают предпочтение наборным маслосъемным кольцам.

Отличия маслосъемных колец от колпачков

Неопытные автовладельцы часто путают маслосъемные кольца с маслосъемными колпачками. По сути эти два элемента выполняют одну и ту же важнейшую работу в двигателе — оберегают камеру сгорания от излишков масла.

Сами маслосъемные колпачки или как их еще называют сальники клапанов, расположены в головке блока цилиндров и установлены на втулках клапанов. Их задача снимать масло с стержней клапанов из верхней части головки блока.

Маслосъемные колпачки

Маслосъемные кольца входят в состав поршневых колец и установлены на поршнях, находящихся в блоке цилиндров двигателя.

Неисправности

При износе как маслосъемных колец, так и сальников клапанов, начинается повышенный угар моторного масла, растет температура и появляются перебои в работе силовой установки. Это выражено в таких неисправностях как:

• нестабильном запуске мотора;

• перебоями в работе цилиндров;

• снижении динамики и мощности;

• увеличении расхода топлива.

Признаки неисправности маслосъемных колец:

• замасливание свечей зажигания;

• синий дым из выхлопной трубы;

Замена поршневых колец

При выявлении признаков износа колец производится их полная замена, то есть весь комплект поршневых колец. Если выполняется только замена колец, без расточки цилиндров, когда их технические размеры еще позволяют делать замену, то устанавливаются кольца того же номинала, как и стоявшие до ремонта.

Комплект поршневых колец: три маслосъемных и два компрессионных. Фото — vag-motors.ru

В случае же когда производится расточка цилиндров под ремонтный размер поршней, то устанавливается комплект колец, соответствующий ремонтному размеру поршней.

Порядок работы по замене:

• сливаются масло и охлаждающая жидкость;

• отдается клемма аккумулятора;

• снимается ремень или цепь ГРМ (в зависимости от конструкции мотора);

• отдаются соединение с выхлопной трубой;

• снимается головка блока и поддон двигателя;

Головка блока цилиндром, поршни в нагаре. Фото — drive2.ru

• поочередно отдаются крышки шатунов и поршня (предварительно помеченные по номеру цилиндра) с шатунами достаются из блока силового агрегата;

• с поршней снимаются старые поршневые кольца и выполняется очистка и промывка поршней, особенно уделяется внимание дорожкам колец, где обязательно убирается нагар;

залегли маслосъемные кольца

• на поршни устанавливаются новые кольца, разводятся замки;

Новые кольца

• поверх колец проливается масло и поршня, с помощью оправки, устанавливаются по порядку снятия в цилиндры блока;

Новые кольца на поршнях

• ставятся и затягиваются предписанным моментом крышки шатунов;

• далее все собирается в обратном порядке;

• устанавливается головка блока и поддон двигателя с новыми прокладками;

• ставятся все элементы ГРМ, двигатель проворачивается на два оборота и проверяются заводские метки;

• монтируется все снятое навесное оборудование;

• заливается моторное масло и охлаждающая жидкость;

• производится запуск мотора.

Стоимость замены колец и колпачков

Работа по замене поршневых колец стоит по-разному на автостанциях и составляет в среднем порядка от 8 000 — 10 000 рублей и более в зависимости от конструкции двигателя и сложности работы, а также марки автомобиля.

По замене колпачков стоимость работы начинается в среднем от 3000 рублей.

Поршневые кольца — условия работы, конструкция

Кольца служат для уплотнения зазора между поршнем и втулкой рабочего цилиндра. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные (уплотнительные) кольца помимо функций уплотнения выполняют задачи отвода теплоты от головки поршня к цилиндровой втулке и далее в охлаждающую воду, распределения масла по зеркалу цилиндра, а маслосъемные кольца — для снятия излишков масла, забрасываемого снизу на нижнюю часть втулки цилиндра (тронковые двигатели) и регулирования поступления его на верхнюю часть.

Условия работы, конструкция

Уплотняющее действие компрессионных колец обеспечивается прижатием их к зеркалу цилиндра и стенкам поршневых канавок и лабиринтным действием пакета колец. К зеркалу цилиндра кольцо прижимается силой собственной упругости и силой давления газов, проникающих через зазор между поршнем и цилиндром в надкольцевое пространство и закольцевое (рис. 7.1а).

Величина удельного давления поршневых колец на стенку цилиндра под действием сил упругости относительно невелика и составляет 0,5-2,0 бар (нижние цифры — малооборотные двигатели, верхние — среднеоборотные). Основной составляющей силы прижатия колец к стенке цилиндра является сила давления газов. Лабиринтное действие колец заключается в перетекании газа через ряд объемов, сообщающихся узкими щелями. Перетекание сопровождается последовательным расширением газов и расходами энергии на вихреобразование и трение.

Как видно из рис. 7.1, давление за кольцами устанавливается в следующей последовательности: за первым кольцом оно ориентировочно равно 0,75 р_г, за вторым — 0,20 р_г и за третьим — 0,08 р_г.

С наибольшей силой к втулке цилиндра прижимается первое кольцо, оно же по этой причине, а также в связи с наличием более высоких температур и ухудшением условий смазки в зоне ВМТ имеет наибольшие износы. Обратное движение поршневых колец внутрь кепов происходит при перекладке поршня в цилиндре под действием меняющей свой знак нормальной силы, являющейся составляющей силы давления газов и силы инерции поступательно движущихся масс поршня.

Радиальное перемещение колец. Радиальное перемещение колец приводит к износу как самого кольца, так и нижней поверхности кепа (рис. 7.2).

При износе кепа плотность посадки кольца в кепе нарушается, газы из затылочной части кольца вытекают, и кольцо перестает прижиматься к зеркалу цилиндра. Его уплотняющее действие теряется, происходит прорыв газов и перегрев кольца и кепа. Рост температур кепа создает условия для коксования масла в нем, в последующем приводящее к заклиниванию кольца и полной потере его уплотняющих свойств.

Практическая рекомендация: применять масла с высокими детергентно-диспергирующими свойствами, обеспечивающими существенное снижение нагарообразования.

В современных форсированных двигателях в целях уменьшения износа кепов их рабочая поверхность хромируется. Потеря давления за кольцом вызывает явления коллапса, при котором возникает радиальная вибрация-кольцо ударяется о внутреннюю стенку поршневой канавки, затем разжимается и входит в контакт со стенкой цилиндра. Попеременные удары в конечном итоге приводят к поломке кольца, отмечаемой обычно в его средней части (напротив замка).

Осевое перемещение колец происходит под действием сил давления газов над кольцом и под ним, силы трения по втулке и силы инерции самого кольца. В итоге кольца осуществляют функцию масляного насоса, перекачивая находящееся под кольцом масло вверх, в зону камеры сгорания, где оно сгорает (см. рис. 7.1ж). Чем выше износ ЦПГ, колец и их кепов, тем большие потери масла на угар.

Помимо радиальных и осевых движений, кольца вращаются относительно оси поршня. Вращательное движение вызывается возвратно-угловыми перемещениями поршня при каждом обороте вала двигателя. Под действием нормальной силы ось поршня при перекладке в цилиндре должна переходить из точки а в точку с. В действительности вследствие деформаций механизма движения и допущенных при сборке неточностей поршень при перекладке «перекатывается» в цилиндре из а в с через точку б. Поскольку сила трения по окружности кольца больше силы трения в кепах, то оно перемещается в нем, совершая вращательное движение.

Конструкция. К кольцам предъявляются следующие требования:

• высокие прочность и упругость и их сохранение при длительном воздействии высоких температур;
• равномерное распределение по окружности радиального давления от сил упругости;
• малый коэффициент трения и высокая износостойкость.

Материал — серый чугун со сфероидальным графитом, с присадкой легирующих элементов. Наибольшее применение в малооборотных и ряде среднеоборотных двигателей находят стандартные прямоугольные кольца (рис. 7.3а). На новых кольцах рабочие кромки обычно слегка закруглены.

Кольцо (рис. 7.36) в отличие от стандартного имеет слегка скругленную рабочую поверхность (поверхность контакта с зеркалом цилиндра). Это обеспечивает линейный контакт с цилиндром в первый период приработки, тем самым предотвращая прорыв газов в местах неполного касания, а в последующем снижает изнашивание верхней части рабочей поверхности кольца. Ускорению приработки колец особенно в цилиндрах с твердым хромовым покрытием служат кольца, рабочая поверхность которых слегка (на 1-2°) скошена, а внизу оставлен узкий цилиндрический поясок (рис. 1 Зв). Представленное на рис. 7.3д кольцо имеет коническую форму. Это позволяет повысить прочность перемычек поршня, а главное, кольцо при своем движении счищает образующийся в канавках нагар и тем самым исключается возможность зависания кольца в слое нагара в канавке. Подобные кольца предпочитают применять в быстроходных напряженных двигателях. Кольцо со скошенными верхними задними кромками благодаря несимметричности сечения под действием появляющейся пары сил при работе скручивается, благодаря чему существенно увеличивается удельное давление прилегания нижней его кромки к втулке цилиндра. Это обеспечивает его быструю прирабатываемость и благодаря появлению масляного клина при движении кольца вверх уменьшает поступление масла вверх, а при движении вниз способствует соскребыванию масла вниз.

В современных форсированных двигателях часто прибегают к повышению износостойкости рабочей поверхности поршневых колец путем хромирования. При этом используется технология, обеспечивающая пористое хромирование для лучшего удержания масла в порах в период приработки. Толщина хромирования достигает 0,5-1,0 мм. Хромирование применяется также для повышения износостойкости нижних полок канавок поршневых колец.

В последние годы стали применять молибденовое покрытие, обладающее отличными противоизносными и антикоррзионными свойствами. Использование этого покрытия открывает возможность применять для изготовления колец высокопрочные и хорошо противостоящие поломке материалы, но, к сожалению, обладающие низкими противоизносными характеристиками.

Замки (разрезы) поршневых колец (рис. 7.4). Замок с прямым разрезом наиболее простой и прочный, чаще применяется в высокооборотных двигателях. Замок с косым разрезом (б) является более герметичным и используется в большинстве мало- и среднеоборотных двигателей.

Герметичные ступенчатые (в) или с глухим стыком (г) имеют повышенную уплотняющую способность, но менее прочны и более сложны в изготовлении.

Маслосъемные кольца используются исключительно в 4-тактных двигателях со смазкой разбрызгиванием, при которой излишне большое и нерегулируемое количество масла забрасывается на стенки цилиндров.

В 2-тактных малооборотных двигателях подача масла регулируется с использованием лубрикаторов и поэтому необходимость в маслосъемных кольцах отсутствует.

Задача маслосъемных колец снять лишнее масло с поверхности цилиндра и тем самым сократить его расход. Следует отметить, что из общего расхода масла в двигателе до 90% приходится на его испарение и сгорание.

Работает кольцо следующим образом -при подъеме поршня между кольцом с конусным скосом и зеркалом цилиндра создается масляный клин, который давит на коническую поверхность кольца. Сила давления направлена перпендикулярно к поверхности кольца и раскладывается на две составляющие — одна прижимает кольцо к нижней полке канавки, а другая сжимает кольцо, утапливая его в канавке. Масло остается на зеркале. При опускании поршня кольцо выпрямляется в канавке под действием его сил упругости и пружины (экспандера) и прижимается к поверхности цилиндра. Острая кромка кольца снимает слой масла, и оно отводится через отверстие в кольце и канал в поршне вниз в картерное пространство.

Упругость колец (сила прижатия к втулке цилиндра) определяется технологией изготовления и применяемым материалом и, конечно, зависит от радиальной толщины кольца. Последняя в процессе эксплуатации по мере изнашивания уменьшается, и это отрицательно сказывается на силе прижатия кольца к втулке цилиндра. Так, уже при радиальном износе кольца на 15% сила прижатия уменьшается более чем на 50%. Если к этому еще добавить отрицательное влияние на силу прижатия тепловых перегрузок, которые кольцо испытывало в процессе работы, то потеря упругости окажется еще больше. Потеря упругости является одной из причин коллапса (вибрации) колец, приводящего к весьма серьезным повреждениям двигателя.

Смазка цилиндров, поршней и колец

Надежность, износ и уплотняющая способность поршневой группы зависят от наличия на поверхностях скольжения эффективной масляной пленки. Толщина пленки по ходу поршня существенно меняется — от 1-2 мкм в районе ВМТ до 12-15 мкм внизу цилиндра. От того, какой устанавливается режим смазки и трения между кольцом и втулкой цилиндра, зависит величина их износа и эксплуатационный ресурс.

Рис. 7.6 иллюстрирует зависимость коэффициента трения от параметра R, определяемого отношением расстояния между трущимися слоями h, и высоты неровностей поверхностей t:

Если R=1 или меньше, то это означает, что поверхности находятся в непосредственном контакте и имеет место режим сухого трения, сопровождаемого чрезвычайно большими износами, задирами и пр.

Если давление в масляном слое между кольцом и втулкой увеличивается, то, как это видно из графика, устанавливается пограничный режим смазки, а по достижении R = 5-10 режим переходит в гидродинамический. Контакт между трущимися поверхностями осуществляется через слой масла, коэффициент трения снижается до минимума.

Задача поршневых колец создавать и поддерживать подобный режим, когда R больше 10. Величина этого параметра зависит от сил, определяющих контакт кольца с втулкой, скорости движения кольца и вязкости масла между компонентами трения. Скорость движения меняется от нуля до максимума и обратно к нулю. Непрерывно меняются направление движения и давление за кольцами, определяющее силу их прижатия к зеркалу цилиндра. Вязкость масла в районе ВМТ минимальна, так как здесь действуют высокие температуры, ближе к НМТ вязкость значительно выше. В этой связи параметр R удерживать на одном уровне > 10 практически невозможно. Только в середине хода поршня он может достигать 10, здесь отмечаются и минимальные износы втулок цилиндров. В поддержании достаточно толстой пленки масла существенную роль играет форма рабочей поверхности поршневого кольца. Небезынтересно отметить, что поршневое кольцо, имевшее первоначальную форму прямоугольника, в процессе приработки и последующей работы в цилиндре по мере износа приобретает форму, представленную на рис; 7.7. Здесь мы видим, что при движении кольца вверх работает верхняя коническая часть, под которой создается масляный клин, отжимающий кольцо внутрь канавки и не дающий ему соскребывать масло с поверхности цилиндра. При движении вниз работает нижняя коническая часть, выполняющая ту же роль, что и верхняя.

Замечание: при установке новых колец отдельные механики вручную припиливают фаски, что неверно, так как кольцо само в процессе приработки приобретет оптимальную форму. Ручная припиловка с помощью напильника может только ухудшить последующую работу кольца.

Возвращаясь к вопросу оптимизации режимов смазки, еще раз отметим, что толщина и состояние масляной пленки зависят от количества подаваемого на смазку ЦПГ масла, работы маслосъемных колец, растаскивания масла компрессионными кольцами и его испарения и выгорания, особенно интенсивного в районе ВМТ. Здесь обычно в связи с нехваткой масла создаются условия полусухого трения и вызванные этим высокие износы. На остальной части втулки, как уже отмечалось, имеет место гидродинамический режим смазки и скорости износов должны лежать в пределах 0,02-005 мм/1000 часов. Одним из условий существования масляной пленки на стенках цилиндра и на поверхности колец является плотность прилегания колец к втулке, исключающая прорыв газов.

Смазка существенно затрудняется или нарушается там, где имеется пропуск газов — независимо от того, вызван ли он износом цилиндров или нарушениями в работе колец. В местах прорыва газов масляная пленка перегревается, окисляется и сгорает. Что способствует коррозионному и эрозионному изнашиванию. Признаком прорыва газов является потемнение соответствующих участков кольца, образование лаковых отложений на зеркале цилиндра, а в последующем продольных полос повышенного износа .

Особенно большое влияние оказывает пропуск газов через первое кольцо, в меньшей степени — утечки через остальные кольца. В принципе, сечение для прохода газов всегда имеется, особенно через открытые замки колец. Поэтому смазка концов колец и участков следующего кольца, расположенного под замком, всегда нарушается или становится недостаточной.

В целях улучшения смазки в зоне ВМТ фирма «Зульцер» проводила эксперименты по выбору высоты расположения масляных штуцеров по отношению к ВМТ и пришла к выводу, что наилучший вариант смазки обеспечивается при расположении штуцеров в два ряда В + С (см. рис. 7.9). Положение штуцеров в позиции А дает несколько большую толщину пленки в районе ВМТ, но значительно ухудшается смазка в средней части хода поршня. Поэтому было принято решение установить на втулках двигателей RTA два ряда штуцеров в В и С.

В общем случае расход масла в процессе эксплуатации двигателя зависит от:

• износа колец, потери их упругости;
• износа поршня и особенно поршневых канавок;
• износа втулки рабочего цилиндра;
• качества смазочного масла;
• тепловых и механических нагрузок, определяемых преимущественным режимом работы двигателя.

Нарушения в работе колец

К наиболее серьезным нарушениям в работе колец относятся их заклинивание и поломка, нередко приводящие к следующим весьма серьезным последствиям:

• усиленный пропуск газов и как следствие — повышение температуры поршня, стенок цилиндра, находящегося на них масла;
• выдувание с поверхностей масла, интенсификация локальных износов и повышенный расход масла;
• снижение компрессии и ухудшение процесса сгорания, увеличение расхода топлива.

Заклинивание колец вызывается отложениями клейких продуктов окисления масла со слабой детергентно-диспергирующей способностью в канавках поршня. Эти отложения, сперва вязкие и клейкие, затем становятся тестообразными и твердыми. Они препятствуют свободе перемещения колец. Сперва подвижность их ограничивается и, наконец, совершенно прекращается. Заклинивание сначала начинается в каком-либо одном месте, затем распространяется по периметру кольца. Заклинившее кольцо все больше вдавливается в канавку, располагаясь заподлицо с наружной поверхностью поршня и таким образом теряя свою уплотняющую способность. В коксообразовании участвует и неполностью сгоревшее топливо, что обычно отмечается при работе на тяжелых высоковязких топливах.

Заклинивание колец может также вызываться чисто механическими причинами:

• недостаточный зазор между кольцом и канавкой по высоте;
• деформация канавки, вызванная деформацией головки поршня под суммарным действием тепловых (особенно) и механических нагрузок (это было типично для поршней двигателей МАН с контурными схемами газообмена).

Поломка колец обычно наблюдается у двухтактных двигателей с контурными схемами газообмена при попадании концов колец в окна (недостаточное запиливание колец в районе замка, исчезновение вследствие износа проточки цилиндра в зоне окон); в четырехтактных двигателях с высоким уровнем форсировки и работающих на тяжелых топливах. Поломку колец можно обнаружить по снижению компрессии, ухудшению сгорания и повышению температуры выхлопа в соответствующих цилиндрах.

Поломка кольца реже происходит в спинке, хотя здесь действует наибольший изгибающий момент. Если поломка не сопровождалась появлением на рабочих поверхностях кольца следов значительного пропуска газа или его заедания, то поломка в спинке могла произойти из-за наличия порока в металле или трещины, образовавшейся при неаккуратном одевании кольца на поршень.

Как правило, на практике отламываются короткие куски кольца в районе замка. Если это осталось незамеченным и двигатель продолжает работать, то снова отламывается короткий кусок и т.д. Таким образом, в последующем можно обнаружить в одной канавке ряд коротких кусков кольца. Эти куски, будучи свободными, могут вызвать серьезные повреждения торцевых поверхностей канавок. В поршнях из алюминиевого сплава под действием сил инерции они пробивают тело канавок и, попадая в зазор между поршнем и цилиндром, могут вызвать заклинивание поршня, деформацию или поломку шатуна. Попадание осколков в камеру сгорания приводит к повреждению клапанов, огневого днища крышки цилиндра.

Поломке колец способствуют следующие, часто совместно действующие факторы:

• на поршне: неплоские торцовые поверхности канавок вследствие износа; перекос этих поверхностей по отношению к оси поршня вследствие коробления от нагрева;
• в цилиндрах: большой износ, появление ступенчатого износа вблизи ВМТ;
• на кольцах: слишком высокая температура колец и потеря упругости, недостаточная смазка и местное пригорание; резкое повышение давления сгорания.

К поломке колец может приводить действие следующих сил.

В плоскости кольца: силы сжатия, вызванные слишком малым зазором в замке и ударами концов кольца друг о друга; силы ударов концов кольца по дну канавки или по стенке цилиндра при вибрации колец (коллапс). Зазор в замках колец, если он вначале был установлен очень малым, при повышении температуры вследствие сухого трения при недостатке масла может настолько уменьшиться, что это приведет к взаимному соприкосновению концов кольца и ударам.

Перпендикулярно к плоскости кольца: ударная посадка колец на торцевые поверхности канавок при резких повышениях давления в цилиндре (жесткое сгорание), изгиб вертикальными составляющими сил давления газов при неплотной посадке колец на торцевые поверхности кепов (проверьте состояние кепов), тарельчатый прогиб или скручивание колец из-за неравномерного в радиальном направлении распределения давления газов на торцевые поверхности (при слишком большом вертикальном зазоре кольца в кепе). Иногда даже наблюдается остаточная деформация колец, принимающая тарельчатую форму.

Распределение давлений внутри лабиринта колец также влияет на их поломку, в частности — на поломку нижних колец. Так, в двухтактных двигателях западанию колец в окна служит давление газов, создавшееся в поршневой канавке в момент прохождения кольцом окон.

Как уже отмечалось, изменение давления в первой канавке следует за изменением давления в цилиндре, почти повторяя его; наоборот, давление в других канавках, как известно, тем больше сдвинуто по фазе, чем ниже расположено данное кольцо и чем больше объем канавки за кольцом. Таким образом, может случиться, что в объеме канавки за первым кольцом, при достижении им окон, практически нет давления, в то время как давление в канавке за третьим кольцом только достигло своего максимума.

В итоге именно третье кольцо будет вдавлено в окно и, в конечном счете, сломается.

У 4-тактных двигателей из-за фазового сдвига волны давления внутри лабиринта колец кольцо, расположенное внизу, может оказаться разгруженным от давления газов в его затылочной части, и это может привести к его вибрации (коллапсу) и вызванной ею поломке. На нижеприведенном рисунке показаны примеры, по которым легко оценить состояние поршневых колец.

По окончании приработки рабочая поверхность колец должна приобрести полированную поверхность (кольцо вверху рисунка), аналогичная поверхность должна быть и у нижней плоскости канавки поршня.

Профиль кольца должен приобрести бочкообразную форму.

Если с течением времени масляная пленка частично исчезает и на зеркале цилиндра появляются сухие участки, последние и поверхность колец под действием трения и нагрева упрочняются и подвергаются микрозадирам. На них появляются темные пятна, зеркальная поверхность нарушается (кольцо второе сверху).

В случае появления обширных микрозадиров на кромках колец могут появиться острые заусенцы (кольцо третье сверху). Поверхность с микрозадирами, признаком которых являются вертикальные полоски, становится относительно твердой и может привести к интенсивному износу цилиндров. С увеличением подачи масла на смазку цилиндра может начаться восстановление, поврежденные участки медленно исчезают и по краям кольца появляются мягкие приработанные участки (кольцо четвертое сверху). При затягивании на рабочую поверхность колец твердых частиц нагара, отколовшихся с перемычек или боковой поверхности поршня над кольцами, на ней образуются довольно глубокие риски, провоцирующие прогрессивный износ и нагрев (см. рис. 7.10).

• Поршневые кольца — поршень и втулка цилиндра являются основным элементом двигателя, от которого зависят его надежность, долговечность и экономичность. Особо тщательно следите за их состоянием и соблюдайте все требования двигателестроителя.
• Периодически проверяйте подачу масла на зеркало цилиндра, не допускайте «сухого» состояния колец и поршней, равно как и излишне большой подачи. Это приведет к нагарообразованиям и последующим абразивным износам.
• При смене колец проверяйте состояние кепов и при большом их износе не пытайтесь устанавливать в них новые кольца -уплотнения цилиндра не достигнете, а скорая поломка колец гарантирована.
• При одевании колец на поршень растягивайте их только на величину, которая позволит одеть кольцо. Большее растяжение приведет к образованию трещин, которые Вы можете не заметить, но при работе кольцо сломается.
• ПОСЛЕДНЕЕ — не экономьте на стоимости колец при их заказе, от их качества слишком много зависит. Покупайте оригинальные кольца только ведущих фирм.

Литература

Судовые двигатели внутреннего сгорания — Возницкий И.В. Пунда А.С. [2010]

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:

1. Обеспечивают герметичность камеры сгорания.
2. Осуществляют регулировку количества смазочного материала, используемого для смазки стенок цилиндра, а также предотвращают его попадание в надпоршневое пространство.
3. 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:

1. П-образные.
2. 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:

1. Несвоевременная замена смазочного материала в силовой установке.
2. Использование низкокачественного топлива.
3. Частая эксплуатация авто в условиях пробок или кратковременные поездки.
4. Создание чрезмерно больших нагрузок на силовую установку.
5. 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.

Компрессионные и маслосъемные кольца поршней двигателя. Как работает и почему изнашивается?

Восстанавливает компрессию, снижает расход топлива и угар масла, уменьшает скорость износа и продлевает срок службы ДВС любого типа. Облегчает холодный пуск, защищает от перегрева в пробках.

Всё это стало возможным благодаря постоянному совершенствованию цилиндро-поршневых групп, и в частности самих поршневых колец, от которых зависит стабильная и эффективная работа силового агрегата и возможность максимально продлить его ресурс.

Виды и назначение колец поршней двигателя

Эти детали представляют собой разомкнутые кольца, имеющие так называемые «замки». Они устанавливаются на внешнюю часть поршней в двигателях внутреннего сгорания. Главными их задачами являются:

• обеспечение герметичности самой камеры сгорания;
• удаление излишек тепла от деталей, в частности от поршня;
• создание условий для минимального расхода моторного масла.

По видам различают компрессионные и маслосъёмные кольца.

Компрессионные кольца. В свою очередь они делятся на верхние и нижние. Первые обеспечивают предварительную герметичность системы, а вторые – финишную герметичность работающего силового агрегата, когда газы уже прошли через верхние и промежуточные. В итоге отработанные газы не попадают в картер, уходят в выхлопную систему без всяких примесей, а двигатель работает равномерно, чётко и стабильно.

Маслосъёмные кольца предназначены для удаления излишек моторного масла с поверхностей цилиндров. Они с одной стороны удаляют лишнее масло, а с другой оставляют тончайший слой масляной плёнки, для того чтобы максимально минимизировать силу трения между поршнями и цилиндрами.

Как компрессионные кольца двигателей, так и маслосъёмные могут быть изготовлены из следующих материалов:

• ковкого и пластичного чугуна – материала, который благодаря своей пористой структуре отлично удерживает масло, что, в свою очередь значительно снижает износ цилиндров;
• хромированного чугуна – материала, обладающего повышенной степенью устойчивости, но требующего прецизионной точности обработки;
• маркированной нержавеющей стали, обладающей аналогичными с чугуном характеристиками, которая производится по более простой, а значит и более дешёвой технологии;
• молибденового чугуна – дорогого материала, но при этом обеспечивающего наивысшую степень износоустойчивости, как правило, такие детали используются в элитных или уникальных сверхскоростных авто.

При изготовлении каждое изделие получается путём максимально точной резки трубы из чугуна или стали. При этом заготовка используется с сечением овальной формы. Именно такая форма обеспечивает необходимую эпюру давления на цилиндр, что обеспечивает гарантию полного прилегания детали и её надёжную приработку. Если бы в качестве заготовки была бы использована труба с круглым сечением, то готовые изделия попросту бы не прилегали в местах у замков.

Кольца, установленные в канавках, разворачиваются таким образом, чтобы был образован угол между замками. Для трёх колец величина этого угла составляет 120°, а при двух – 180°.

В итоге получается, что эпюры давлений не совпадают, что обеспечивает равный износ по диаметру. Кроме того, таким образом обеспечивается так называемый «лабиринт», который снижает прорыв отработанных газов. Ранее для обеспечения равномерного угла между деталями на каждой из них были предусмотрены специальные фаски. Сегодня снижения силы трения добиваются посредством выпуска более тонких деталей, но при этом всё равно изделия выпускаются с ориентацией для установки.

Поломку легче предупредить, чем устранить. Используйте присадку для восстановления нормальной работы поршней и колец.

Присадка в двигатель «Супротек Актив Стандарт»

Для безнаддувных бензиновых двигателей объемом до 1,6 литра. Восстанавливает и выравнивает компрессию, снижает расход топлива и масла на угар, защищает поверхности трения в ЦПГ, и газораспределительном механизме от износа при запуске и перегревах.

Основные неисправности и способы их устранения

Надо понимать, что поршневые компрессионные кольца, равно как и маслосъёмные являются расходными деталями, которые на определённом этапе времени требуют замены. Во время эксплуатации они подвергаются трению о поверхности цилиндров, высоким температурам, различным химическим воздействиям, например серы, что особенно характерно для дизельных двигателей.

В качестве основных причин возникновения неисправностей, связанных с этими деталями можно назвать потерю упругости из-за нарушений режима обкатки или использования неоригинальных колец низкого качества. Из-за плохого прилегания и прорывов горячих газов кольцо попросту «садится», чем ещё больше усугубляет проблему. Надо понимать, что эти детали всегда находятся в экстремальных условиях – на них постоянно действуют ударные нагрузки от искровой детонации, которые вызывают вибрацию кольца в канавке. В свою очередь это приводит к тому, что увеличивается зазор компрессионного кольца, а, следовательно, растёт вероятность поломок этой детали. Всё это ещё раз подтверждает тот факт, что кольца надо менять.

На практике эти детали могут «ходить» до 500 тыс. и, наоборот, гораздо раньше изнашиваться. Всё зависит от стиля вождения, качества используемого топлива и моторного масла, стабильности и качества подготавливаемой воздушно-топливной смеси, своевременного обслуживания авто и многих других причин. Только вот, когда наступает это самое время замены, по каким признакам можно определить превышение допустимой степени износа, и можно ли максимально отложить ремонт? Эти вопросы возникают у автолюбителей чаще всего.

В технической документации на автомобиль каждый производитель указывает величину пробега, при которой требуется замена маслосъёмных и компрессионных колец поршня. Величины пробега для машин отечественного автопрома обычно находятся в пределах порядка 150 тыс. км, а для автомобилей ведущих мировых брендов – порядка 300 тыс. км. Эти цифры носят рекомендательный характер.

По каким внешним признакам можно определить, что нужна замена поршневых колец и замена компрессионных колец?

Ответ на этот вопрос не такой простой, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что внешние признаки неисправностей цилиндро-поршневых групп практически одинаковы, поэтому определить конкретную неисправность без «вскрытия» нереально. Общий подход такой. Если тяга резко уменьшилась, а нажатие на педаль газа не даёт достаточного ускорения, если мотор плохо запускается «на холодную» или даёт сбои при запуске «на горячую». Если замечено, что расход топлива увеличился, а из выхлопной трубы валит сизый или чёрный дым, то это свидетельствует об имеющейся неисправности. Потеря мощности говорит о снижении компрессии, сизый дым – повышенный расход масла, чёрный дым – перелив топлива. И не обязательно в этих случаях виноваты кольца.

В этих случаях вначале пытаются устранить проблему путём выставления правильного угла опережения зажигания, проверки и при необходимости замены свечей, диагностики работы датчика температуры охлаждающей жидкости, лямбда-зонда, другой электроники, отвечающей за подготовку смеси и правильную работу двигателя.

И только когда точно выявлено, что виновата поршневая группа, то приступают к ремонту, связанному с разборкой двигателя. При этом если автомобиль с большим пробегом, кроме устранения основной неисправности в случае большого износа колец, меняются и они.

Поломку легче предупредить, чем устранить. Используйте присадку для восстановления нормальной работы поршней и колец.

Присадка в моторное масло «Супротек Актив Плюс»

Восстанавливает компрессию, снижает расход топлива и угар масла, уменьшает скорость износа и продлевает срок службы ДВС любого типа. Облегчает холодный пуск, защищает от перегрева в пробках.

Основными неисправностями этих элементов можно назвать следующие:

– выламывание перегородок между канавками;

– заклинивание в канавках – наиболее часто встречающаяся проблема;

– повышенный износ верхних компрессионных колец;

– следы диагонального контакта на юбке поршня;

– вымывание материала поршня в месте отверстия поршневого пальца;

Что касается признаков неисправности поршневых колец (ПК) и способов устранения, то нагляднее будет увидеть их в таблице:

Наименование неисправности

Признаки/причины

Способы устранения

Выламывание перегородок между канавками ПК

Повышенный расход масла/Повышенное давление в камере сгорания, сильно увеличенная степень сжатия, слишком раннее зажигание.

Устранение причин, замена деталей, возможная замена ПК

Заклинивание ПК в канавках – закоксовывание

Повышенный расход масла, потеря мощности/Слишком высокая температура сгорания смеси, возможно заклинивание поршня

Регулировка зажигания, регилировка топливно-воздушной смеси, замена повреждённых деталей

Вертикальные задиры на ПК и юбке поршня

Повышенный расход масла/Абразивные материалы в масле

Очистка масляных каналов, замена масляного и воздушного фильтров. При повторном проявлении – замена ПК

Повышенный износ верхних компрессионных колец

Перерасход масла, потеря мощности/Вымывание топлива из канавок ПК

Проверка системы впрыска, замена ПК.

Следы диагонального контакта на юбке поршня

Повышений шум двигателя/Изгиб или перекос шатуна, «плавание» коленвала

Замена неисправных деталей, замена ПК

Вымывание материала поршня в месте отверстия поршневого пальца

Повышенный шум в двигателе, перерасход масла/Неправильная установка или поломка стопорных колец

Регулировка, устранение несоосности пальца и коленвала, замена поршней и, соответственно, ПК

Доказано, что износ поршневых колец прямо пропорционален запылённостью воздуха, который поступает в цилиндр. Заклинивание и закоксовывание колец случаются из-за скопления в канавках сажи, что является следствием применения некачественных моторных масел, несоблюдением сроков их замены, длительная езда с повышенным перерасходом масла из-за порванных или «задубевших» манжет клапанов. Часто возникают эти проблемы сразу после неправильного монтажа маслосъёмных колец при их замене. Есть вообще экзотические случаи неисправностей и просто поломок колец. Например, езда на растительном масле вместо качественной солярки.

Можно ли избежать ремонта?

Может показаться, что всё очень удручающе – лезть внутрь двигателя для замены колец долго, сложно и недёшево. Однако есть выход. Сегодня на вопрос, можно ли избежать замены колец в случаях их закоксовывания, отвечает автохимия. Многие производители выпускают специальные средства, которые предназначены для решения этих проблем. Средства являются быстродействующими. Они способны возвращать подвижность кольцам, очищать цилиндры, поршни, камеры сгорания, выравнивать компрессию, снижать уровень вредных выхлопов.

Все они делятся на две группы. Первая – присадки в топливо, которые обеспечивают так называемую «мягкую» раскоксовку – очень простой способ, который обычно соединяется с заменой масла и масляного фильтра. Второй – средства для «жёсткого» способа, который рекомендуется для применения продвинутым автомобилистам или в условиях СТО.

Практика показывает, что использование этих средств при перегревах двигателя, появлении «дымления», повышенном расходе моторного масла, в подавляющем большинстве случаев решает проблему и исключает дорогостоящий ремонт.

Вывод простой. Если появилась проблема, то не надо сразу спешить заменять кольца или пытаться ремонтировать двигатель, ведь можно попытаться её устранить с помощью химической «раскоксовки» или использовать восстанавливающий триботехнический состав «СУПРОТЕК».