Какие элементы располагаются на поршне и указать их назначение

Поршень двигателя.

• В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания, т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.

• Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.

— Схема поршня двигателя:

• Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG:
1. головка поршня;
2. поршневой палец;
3. стопорное кольцо;
4. бобышка;
5. поршневая головка шатуна;
6. юбка поршня;
7. стальная вставка;
8. первое компрессионное кольцо (трапециевидное);
9. второе компрессионное кольцо (коническое с подрезом);
10. маслосъемное кольцо (с пружинным расширителем и дренажными отверстиями)

• Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.

• Поршень двигателя SkyActiv-G
Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки) для крепления поршневого пальца.

— Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:

масляный туман в цилиндре;
разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
разбрызгивание масла специальной форсункой;
впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.
Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.

• Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).

• Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

• Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец, который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.

• Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа.

Устройство автомобилей

Поршневая группа образует подвижную стенку рабочего объема цилиндра. Именно перемещение этой «стенки», т. е. поршня, является показателем работы, выполненной сгоревшими и расширяющимися газами.
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма включает в себя поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец и фиксирующие его детали. Иногда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром, и называют цилиндропоршневой группой.

Поршень

Требования, предъявляемые к конструкции поршня

Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через поршневой палец шатуну. При этом он совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.

Условия, в которых работает поршень:

• высокое давление газов (3,5…5,5 МПа для бензиновых, и 6,0…15,0 МПа для дизельных двигателей);
• контакт с горячими газами (до 2600 ˚С);
• движение с переменой направления и скорости.

Возвратно-поступательное движение поршня вызывает значительные инерционные нагрузки в зонах прохода мертвых точек, где поршень изменяет направление движения на противоположное. Инерционные силы зависят от скорости перемещения поршня и его массы.

Поршень воспринимает значительные усилия: более 40 кН в бензиновых двигателях, и 20 кН – в дизелях. Контакт с горячими газами вызывает нагрев центральной части поршня до температуры 300…350 ˚С. Сильный нагрев поршня опасен возможностью заклинивания в цилиндре из-за температурного расширения, и даже прогоранием днища поршня.

Перемещение поршня сопровождается повышенным трением и, как следствие, изнашиванием его поверхности и поверхности цилиндра (гильзы). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней и обратно сила давления поверхности поршня на поверхность цилиндра (гильзы) изменяется и по величине, и по направлению в зависимости от такта, протекающего в цилиндре.

Максимальное давление поршень оказывает на стенку цилиндра при такте рабочего хода, в момент, когда шатун начинает отклоняться от оси поршня. При этом сила давления газов, передаваемая поршнем шатуну, вызывает реактивную силу в поршневом пальце, который в данном случае является цилиндрическим шарниром. Эта реакция направлена от поршневого пальца вдоль линии шатуна, и может быть разложена на две составляющие – одна направлена вдоль оси поршня, вторая (боковая сила) перпендикулярна ей и направлена по нормали к поверхности цилиндра.

Именно эта (боковая) сила и вызывает значительное трение между поверхностями поршня и цилиндра (гильзы), приводящее к их износу, дополнительному нагреву деталей и снижению КПД из-за потерь энергии.

Попытки уменьшить силы трения между поршнем и стенками цилиндра осложняются тем, что между цилиндром и поршнем необходим минимальный зазор, обеспечивающий полную герметизацию рабочей полости с целью не допустить прорыв газов, а также попадание масла в рабочее пространство цилиндра. Величина зазора между поршнем и поверхностью цилиндра лимитируется тепловым расширением деталей. Если его сделать слишком малым, в соответствии с требованиями герметичности, то возможно заклинивание поршня в цилиндре из-за теплового расширения.

При изменении направления движения поршня и процессов (тактов), протекающих в цилиндре, сила трения поршня о стенки цилиндра меняет характер – поршень прижимается к противоположной стенке цилиндра, при этом в зоне перехода мертвых точек поршень совершает удары по цилиндру из-за резкого изменения величины и направления нагрузки.

Конструкторам, при разработке двигателей, приходится решать комплекс проблем, связанных с описанными выше условиями работы деталей цилиндропоршневой группы:

• высокими тепловыми нагрузками, вызывающими температурное расширение и коррозию металлов деталей КШМ;
• колоссальным давлением и инерционными нагрузками, способным разрушить детали и их соединения;
• значительными силами трения, вызывающими дополнительный нагрев, износ и потери энергии.

Исходя из этого, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:

• достаточная жесткость, позволяющая выдерживать силовые нагрузки;
• тепловая стойкость и минимальные температурные деформации;
• минимальная масса для снижения инерционных нагрузок, при этом масса поршней в многоцилиндровых двигателях должна быть одинаковой;
• обеспечение высокой степени герметизации рабочей полости цилиндра;
• минимальное трение о стенки цилиндров;
• высокая долговечность, поскольку замена поршней связана с трудоемкими ремонтными операциями.

Особенности конструкции поршня

Поршни современных автомобильных двигателей имеют сложную пространственную форму, которая обусловлена различными факторами и условиями, в которых работает эта ответственная деталь. Многие элементы и особенности формы поршня не заметны невооруженным глазом, поскольку отклонения от цилиндричности и симметрии минимальны, тем не менее, они присутствуют.
Рассмотрим подробнее – как устроен поршень двигателя внутреннего сгорания, и на какие хитрости приходится идти конструкторам, чтобы обеспечить выполнение требований, изложенных выше.

Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из верхней части – головки и нижней – юбки.

Верхняя часть головки поршня – днище непосредственно воспринимает усилия со стороны рабочих газов. В бензиновых двигателях днище поршня обычно делают плоским. В поршневых днищах дизелей часто выполняют камеру сгорания.

Днище поршня представляет собой массивный диск, который соединяется с помощью ребер или стоек с приливами, имеющими отверстия для поршневого пальца – бобышками. Внутренняя поверхность поршня выполняется в виде арки, что обеспечивает необходимую жесткость и теплоотвод.

На боковой поверхности поршня прорезаны канавки для поршневых колец. Число поршневых колец зависит от давления газов и средней скорости перемещения поршня (т. е. частоты вращения коленчатого вала двигателя) – чем меньше средняя скорость поршня, тем больше требуется колец.
В современных двигателях, наряду с ростом частоты вращения коленчатого вала, наблюдается тенденция к сокращению числа компрессионных колец на поршнях. Это обусловлено необходимостью уменьшения массы поршня с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения сил трения, отнимающих существенную долю мощности двигателя. При этом возможность прорыва газов в картер высокооборотистого двигателя считается менее актуальной проблемой. Поэтому в двигателях современных легковых и гоночных автомобилей можно встретить конструкции с одним компрессионным кольцом на поршне, а сами поршни имеют укороченную юбку.

Кроме компрессионных колец на поршне устанавливают одно или два маслосъемных кольца. Канавки, выполненные в поршне под маслосъемные кольца, имеют дренажные отверстия для отвода моторного масла во внутреннюю полость поршня при снятии его кольцом с поверхности цилиндра (гильзы). Это масло обычно используется для охлаждения внутренней поверхности днища и юбки поршня, а затем стекает в поддон картера.

Форма днища поршня зависит от типа двигателя, способа смесеобразования и формы камеры сгорания. Наиболее распространена плоская форма днища, хотя встречаются выпуклая и вогнутая. В некоторых случаях в днище поршня выполняют углубления для тарелок клапанов при расположении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Как упоминалось выше, в днищах поршней дизельных двигателей нередко выполняют камеры сгорания, форма которых может различной.

Нижняя часть поршня – юбка направляет поршень в прямолинейном движении, при этом она передает стенке цилиндра боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости цилиндра. Величина бокового усилия, передаваемого юбкой поршня, значительно меньше максимального усилия, воспринимаемого днищем со стороны газов, поэтому юбка выполняется относительно тонкостенной.

В нижней части юбки у дизелей часто устанавливают второе маслосъемное кольцо, что позволяет улучшить смазывание цилиндра и уменьшить вероятность попадания масла в рабочую полость цилиндра. Для уменьшения массы поршня и сил трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и укорачивают по высоте. Внутри юбки обычно выполняются технологические приливы, которые используются для подгонки поршней по массе.

Конструкция и размеры поршней зависят главным образом от быстроходности двигателя, а также от величины и скорости нарастания давления газов. Так, поршни быстроходных бензиновых двигателей максимально облегчены, а поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию.

В момент перехода поршня через ВМТ изменяется направление действия боковой силы, которая является одной из составляющих силы давления газов на поршень. В результате поршень перемещается от одной стенки цилиндра к другой – происходит перекладка поршня . Это вызывает удар поршня о стенку цилиндра, сопровождающийся характерным стуком. Чтобы уменьшить это вредное явление поршневые пальцы смещают на 2…3 мм в сторону действия максимальной боковой силы; при этом боковая сила давления поршня на цилиндр значительно уменьшается. Такое смещение поршневого пальца называется дезаксажем .
Применение в конструкции поршня дезаксажа требует соблюдения правил монтажа КШМ — поршень должен устанавливаться строго по меткам, указывающим, где передняя часть (обычно это стрелка на днище).

Оригинальное решение, призванное снизить воздействие боковой силы, применили конструкторы двигателей фирмы "Фольксваген". Днище поршня в таких двигателях выполнено не под прямым углом к оси цилиндра, а немного скошено. По мнению конструкторов, это позволяет оптимальнее распределить нагрузку на поршень, и улучшить процесс смесеобразования в цилиндре при тактах впуска и сжатия.

Для того, чтобы удовлетворить противоречивые требования герметичности рабочей полости, предполагающие наличие минимальных зазоров между юбкой поршня и цилиндром, и предотвращения заклинивания детали в результате теплового расширения, в форме поршня применяют следующие конструктивные элементы:

уменьшение жесткости юбки за счет специальных прорезей, компенсирующих ее тепловое расширение и улучшающих охлаждение нижней части поршня. Прорези выполняют на той стороне юбки, которая наименее нагружена боковыми силами, прижимающими поршень к цилиндру;

Последнее условие выполнить непросто, поскольку поршень нагревается по всему объему неравномерно и имеет сложную пространственную форму – в верхней части его форма симметрична, а в районе бобышек и на нижней части юбки имеются ассиметричные элементы. Все это приводит к неодинаковой температурной деформации отдельных участков поршня при его нагреве во время работы.
По этим причинам в конструкции поршня современных автомобильных двигателей обычно выполняют следующие элементы, усложняющие его форму:

днище поршня имеет меньший диаметр по сравнению с юбкой и наиболее приближено в поперечном сечении к правильной окружности.
Меньший диаметр сечения днища поршня связан с его высокой рабочей температурой и, как следствие, с большим тепловым расширением, чем в районе юбки. Поэтому поршень современного двигателя в продольном сечении имеет слегка коническую или бочкообразную форму, зауженную к днищу.
Уменьшение диаметра в верхнем поясе конической юбки для поршней из алюминиевого сплава составляет 0,0003…0,0005D, где D – диаметр цилиндра. При нагреве до рабочих температур форма поршня по длине «выравнивается» до правильного цилиндра.

Очевидно, что на все эти ухищрения конструкторам приходится идти, чтобы придать поршню в нагретом до рабочих температур состоянии правильную цилиндрическую форму, обеспечив тем самым минимальный зазор между ним и цилиндром.

Наиболее эффективным способом предотвращения заклинивания поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения при минимальном зазоре является принудительное охлаждение юбки и вставка в юбку поршня элементов из металла, имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Чаще всего применяются вставки из малоуглеродистой стали в виде поперечных пластин, которые при отливке поршня помещаются в зону бобышек. В некоторых случаях вместо пластин применяются кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки поршня.

Температура днища алюминиевых поршней не должна превышать 320…350 ˚С. Поэтому для увеличения теплоотвода переход от днища поршня к стенкам делают плавным (в виде арки) и достаточно массивным. Для более эффективного теплоотвода от днища поршня применяют его принудительное охлаждение, брызгая на внутреннюю поверхность днища моторное масло из специальной форсунки. Обычно функцию такой форсунки выполняет специальное калиброванное отверстие, выполненное в верхней головке шатуна. Иногда форсунка устанавливается на корпусе двигателя в нижней части цилиндра.

Для обеспечения нормального теплового режима верхнего компрессионного кольца его располагают значительно ниже кромки днища, образуя так называемый жаровой или огневой пояс. Наиболее изнашиваемые торцы канавки под поршневые кольца часто усиливают специальными вставками из износостойкого материала.

В качестве материала для изготовления поршней широко применяют алюминиевые сплавы, основным достоинством которых является небольшая масса и хорошая теплопроводность. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести невысокую усталостную прочность, большой коэффициент температурного расширения, недостаточную износостойкость и сравнительно высокую стоимость.

В состав сплавов кроме алюминия входят кремний (11…25%) и добавки натрия, азота, фосфора, никеля, хрома, магния и меди. Отлитые или отштампованные заготовки подвергают механической и термической обработке.

Значительно реже в качестве материала для поршней используют чугун, поскольку этот металл значительно дешевле и прочнее алюминия. Но, несмотря на высокую прочность и износостойкость, чугун обладает сравнительно большой массой, что приводит к появлению значительных инерционных нагрузок, особенно при изменении направления движения поршня. Поэтому для изготовления поршней быстроходных двигателей чугун не применяется.

Устройство поршня

Поршень является основной деталью поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поршень служит для восприятия и преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения. Поршень, как правило, имеет цилиндрическую форму. Во врем я работы двигател я поршень совершает возвратно поступательное движение внутри цилиндра.

Основные функции поршн я :

• Воспринимает давление газов и передает возникающее усилие на шатун — коленчатый вал;
• Создает герметизацию камеры сгорани я ;
• Отводит лишнее тепло от камеры сгорания.

Поршень двигателя состоит из трех основных частей:

Днище поршня (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);

В обиходе автомобилистов часто встречается такое название, как головка поршня. Головкой поршня называют днище поршня с его уплотняющей частью.

Днище поршня

Основная рабочая поверхность детали, которая вместе со стенками гильзы цилиндров и головкой блока формирует камеру сгорания, в которой и происходит сгорание горючей смеси. Днище поршня может иметь различную конструкцию в зависимости от типа и особенностей двигателя.

Виды поршней

В двухтактных двигателях применяются поршни со сферической формой днища, что приводит к повышению эффективности наполнения камеры сгорания горючей смесью и улучшает отвод отработанных газов.

В четырехтактных бензиновых двигателях днище имеет плоскую или вогнутую форму. Углубления – выемки служат для улучшения смесеобразования и уменьшают вероятность столкновения поршня с клапаном.

В дизельных моторах углубления в днище более габаритные и имеют различные формы. Такие выемки называют поршневой камерой сгорания. В процессе работы в поршневых камерах сгорания создаются завихрения, которые способствуют улучшению качества смешивания топлива с воздухом.

Уплотняющая часть поршня

Уплотняющая часть поршня предназначена для установки компрессионных и маслосъемных колец, которые предназначены для устранения зазора между поршнем и стенкой гильзы цилиндров.

Уплотняющая часть представл яет собой проточки (канавки) в цилиндрической поверхности поршня. В двухтактных двигателях в проточки встав ляются специальные вставки, в которые упираются замки колец, благодар я которым кольца не прокручиваютс я .

Число канавок, на уплотняющей части поршн я , соответствует количеству поршневых колец. Чаще всего примен я етс я конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным. В канавке под маслосъемное кольцо имеютс я специальные отверстия для стека масла, которое снимается маслосъемным кольцом со стенки гильзы цилиндра.

Юбка поршн я

Юбка я в л я етс я направл я ющей поршня, обеспечива ет только возвратно-поступательное движение детали.

2. Конструкция элементов поршневой группы.

Поршневая группа включает поршень, поршневые кольца (ком­прессионные и маслосъемные), поршневой палец и элементы, ограничивающие его осевые перемещения (для пальца плаваю­щего типа).

Поршень обеспечивает необходимую для эффективной органи­зации рабочего процесса форму камеры сгорания. Его днище вос­принимает давление газов, развивающееся в надпоршневом про­странстве при реализации в нем рабочего цикла, и через палец передает усилие на шатун.

В конструкции поршня принято выделять следующие элементы (рис. 10.3): головку 2 и юбку 1. Головка включает днище 4, огневой (жаровой) 5 и уплотняющий 3 пояса. Юбка поршня состоит из бобышек 6 и направляющей части.

На рис. 10.4 и 10.5 представле­ны наиболее типичные в настоящее время конструкции поршней дизелей и двигателей с искровым зажиганием.

Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по зна­чению и направлению тепловые потоки, воздействующие на его элементы, приводят к неравномерному распределению темпера­тур по объему поршня, к значительным переменным по времени местным термическим напряжениям и деформациям.

Теплота, подводимая к поршню через его головку, отводится в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца(60. 70%), через юбку поршня (20. 30%), в сис­тему смазывания через внутреннюю поверхность днища поршня (5. 10%). Поршень также восприни­мает часть теплоты, выде­ляющейся в результате тре­ния цилиндра и поршне­вой группы.

Рис. 10.3. Основные элементы поршня: 1 – юбка; 2 – головка; 3 – уплотняющий пояс; 4 – днище; 5 – огневой пояс; 6 – бобышки.

Рис. 10.4. Поршни дизелей: а – листовой поршень; б и в – штамповые поршни; 1 – ребра, соединяющие днище и бобышки поршня; 2 – бобышка со скошенным внутренним торцом; 3 – вырез.

Рис. 10.5. Поршни двигателей с искро­вым зажиганием: а и б — поршни с поперечной прорезью и терморегулируюшей вставкой; в и г— пор­шни с Т-образной прорезью; 1 — терморегулирующая вставка; 2 — поперечная прорезь; 3 — вставка канавки под первое компрессионное кольцо; 4 — Т-образная прорезь; 5 — зона выборки металла для подгонки по массе; е — дезаксаж поршня

Для изготовления поршней автомобильных двигателей в основ­ном используют алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что обеспечива­ет небольшую массу поршня и, следовательно, низкие инерци­онные нагрузки на детали КШМ. Хорошая теплопроводность при­меняемых материалов позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. Низкие значения коэффициента тре­ния в паре с чугунными или стальными гильзами обеспечивают меньшие внутренние потери. Однако у данных материалов есть серьезные недостатки: невысокая усталостная прочность, умень­шающаяся при повышении температуры, большой коэффициент линейного расширения, недостаточная износостойкость, сравни­тельно высокая стоимость.

При изготовлении поршней используют два вида силуминов — алюминиевых сплавов с повышенным содержанием кремния: эв­тектические (11. 14%) и заэвтектические (17. 25%). Увеличение содержания кремния в сплаве уменьшает коэффициент линейного расширения, повышает термо- и износостойкость, но ухудшает его литейные качества и увеличивает стоимость производства.

Для улучшения свойств силуминов в них вводят различные ле­гирующие добавки: натрий, азот, фосфор повышают износостой­кость сплава, а никель, хром, магний повышают жаропрочность и твердость конструкции. Добавка до 6 % меди повышает усталост­ную прочность и теплопроводность, улучшает литейные качества и снижает стоимость изготовления, но несколько снижается из­носостойкость поршня.

Поршневые компрессионные кольца, кроме основной функции, обеспечи­вают отвод значительной доли теплоты от поршня в стенки ци­линдра. Конструкции наиболее распространенных в автотракторных двигателях компрессионных колец приведены на рис. 10.6.

Кольца с прямоугольным поперечным сечением (рис. 10.6, а) про­сты в изготовлении, имеют большую площадь контакта по рабо­чей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хороше­му теплоотводу от головки поршня в систему охлаждения. Однако их недостатком является трудность приработки рабочей поверх­ности к зеркалу цилиндра.

Кольца с конической рабочей поверхностью («минутные») имеют угол наклона рабочей поверхности к зеркалу цилиндра 15. 30′ (рис. 10.6, б). Благодаря повышенному давлению на рабочей (ниж­ней) кромке они быстро прирабатываются, после чего приобре­тают все качества колец с прямоугольным сечением. Однако про­изводство таких колец более сложное.

Достоинства прямоугольного и конического сечений в значи­тельной мере объединены в конструкции скручивающихся (тор­сионных) колец (рис. 10.6, г, д, к). В рабочем состоянии такое кольцо скручивается за счет большей его деформации в верхней зоне се­чения, и его рабочая поверхность контактирует с зеркалом ци­линдра под углом, работая как «минутное» кольцо.

Это способ­ствует быстрой его приработке. Однако такие кольца плохо кон­тактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра.

Рис. 10.6. Основные конструктивные решения компрессионных поршне­вых колец (поперечное сечение): а — прямоугольное; б — коническое («минутное»); в — бочкообразное; г и д — прямоугольное с внутренней выточкой; е и ж — трапециевидное (симметричное и несимметричное); з — скребковое; и — стальное витое, к — торсионное с обратным закручиванием

Бочкообразная рабочая поверхность кольца (рис. 10.6, в) (сим­метричная или асимметричная) обеспечивает оптимальное рас­пределение масла по ходу поршня, исключает кромочный кон­такт кольца с цилиндром и, следовательно, разрыв масляной плен­ки при перекладке поршня. Такое кольцо быстро и хорошо прира­батывается к зеркалу цилиндра.

Кольца с поперечным сечением в виде односторонней или дву­сторонней трапеции (рис. 10.6, е, ж) и с прямоугольной или боч­кообразной рабочей поверхностью хорошо противостоят пригоранию даже при повышенных температурах в зоне канавки. Осе­вое и радиальное движения поршня при перекладке приводят к изменению зазора между торцовыми поверхностями кольца и ка­навки поршня, что вызывает разрушение нагара в нем. Кольца с односторонней трапецией из-за их несимметричности обладают всеми свойствами торсионных колец.

Конический скос в виде проточек нижней части рабочей поверх­ности у скребковых колец (рис. 10.6, з) приводит к уменьшению ее площади и, следовательно, к увеличению радиального давления кольца на зеркало цилиндра. Такое кольцо, оставаясь компресси­онным, может частично выполнять функцию маслосъемного.

Нижнее компрессионное кольцо иногда выполняют торсион­ным (рис. 10.6, к) с обратным закручиванием вследствие располо­жения ослабляющей проточки в нижней части сечения и одно­временного наклона рабочей поверхности. При скручивании его в рабочем положении обеспечивается контакт с цилиндром по ниж­ней кромке. По функциональным качествам оно близко к скреб­ковому кольцу.

Лабиринтное уплотнение компрессионных колец обладает насос­ным действием, т.е. способствует перекачке масла из зазора в ка­меру сгорания.

Маслосъемные кольца регулируют режим смазывания. Их кон­струкция должна обеспечивать хороший съем со стенок излишков масла, а также распределение его по зеркалу цилиндра в виде пленки постоянной толщины.

Чугунные монолитные кольца с витым цилиндрическим пружин­ным расширителем браслетного типа (рис. 10.7, б) характеризуют­ся высокой гибкостью и обеспечивают равномерное распределе­ние давления по высоте кольца. Внутреннюю поверхность кольца выполняют в виде полуокружности или V-образной формы. В пер­вом случае пружина быстрее прирабатывается, однако она может закрывать часть площади дренажных окон. Этот тип кольца ис­пользуют практически на всех автомобильных дизелях и пример­но на трети конструкций двигателей с искровым зажиганием.

Система из двух колец скребкового типа (рис. 10.7, в) устанав­ливаемых в одну канавку (верхнее кольцо при этом имеет дренаж­ные прорези), характеризуется независимой работой колец, что улучшает их функционирование при движении поршня с некото­рым перекосом.

Стальные составные (сборные) хромированные маслосъемные кольца (рис. 10.7, д, е) имеют две кольцевые опорные пластины и расширители (осевой и радиальный или тангенциальный) и ис­пользуются в основном на двигателях с искровым зажиганием.

Расширители за счет собственной упругости позволяют повысить дав­ление кольца на стенку при минимальной его радиальной толщине.

Рис. 10.7. Основные конструктивные решения маслосъемных колец: а — коробчатого типа без расширителя; б — коробчатого типа с витым пружин­ным расширителем; в — два скребковых кольца; г — коробчатого типа с ради­альным расширителем; д — с радиальным и осевым расширителем; е — с тан­генциальным расширителем

Качественное выполнение функций поршневой группой дос­тигается не только конструкцией отдельных колец, но и правиль­ным сочетанием их в комплекте. Например, если верхнее компрес­сионное кольцо имеет прямоугольное сечение с бочкообразной рабочей поверхностью, то нижнее должно быть скребковым, тор­сионным или «минутным».

У высокофорсированных дизелей сложно обеспечить темпера­туру в зоне канавки первого компрессионного кольца ниже тем­пературы коксования масла. Поэтому в качестве первого компрес­сионного используют кольцо с двусторонней трапецией (до 75 % всех моделей), а нижнее — прямоугольного сечения (до 40 %), скребкового (до 35 %) или в виде двусторонней трапеции (до 25 %).

Материалом для поршневых колец в основном служит спе­циальный серый высокопроч­ный чугун, который обладает высокими стабильными показа­телями прочности и упругости при рабочей температуре в те­чение всего срока службы коль­ца, высокой износостойкостью в условиях граничного трения, хорошими антифрикционными свойствами, способностью до­статочно быстро и эффективно прирабатываться к поверхности цилиндра. Легирующие добавки Сr, Ni, Мо, W способствуют повышению термостойкости колец.