2.2.3. Поршневые кольца

Назначение поршневых колец (ПК):

1) Уплотнение полости КС (предотвращение прорыва газов из надпоршневого пространства в картер);

2) Предотвращение проникновения масла в КС;

3) Передача теплоты от поршня к гильзе цилиндра и далее в систему охлаждения.

Условия работы:

1) Высокая скорость скольжения кольца по зеркалу цилиндра ( С_п = 10-15 м/с);

2) Недостаток смазки, особенно в зоне ВМТ;

3) Высокие тепловые напряжения и тепловые потоки, возникающие от соприкосновения с горячими газами, а также вследствие трения о стенки цилиндра и теплового потока от поршня, а также из-за ограниченных условий теплоотвода.

Принцип работы ПК

ПК относятся лабиринтному типу уплотнений с упругими подвижными элементами прямоугольного сечения. Наличие разреза в ПК (замка) позволяет их устанавливать в соответствующие канавки в поршне.

Кольцо прижимается к стенке цилиндра под действием:  силы упругости и

 силы давления газа, находящегося в заколечном объеме.

Последняя сила много больше силы упругости, но действует в основном только в тактах сжатия и расширения. Прижатие ПК то к верхнему, то к нижнему торцу канавок в осевом направлении линии происходит либо за счет сил инерции ВДПМ, либо за счет газовых сил.

При лабиринтном уплотнении необходимо считаться с неизбежными утечками, уменьшить которые можно уменьшив: зазор в замке в рабочем состоянии и увеличив число ПК. Перетекания газа через канавки в сторону уплотняющего пояса поршня сопровождаются дросселированием в зазорах и быстрым снижением давления по мере удаления от днища.

Значительная утечка газа через ПК вызывает :

1. потери мощности двигателя и повышается удельный расход топлива ;

2. ухудшение запуска двигателя;

3. появление дымного выхлопа с синим оттенком;

4. ускоренное старение масла и повышение его расхода;

5. коксование и пригорание ПК;

6. повышенный износ ПК и гильз цилиндров;

7. усиление нагара и шлакоотложений.

Требования к ПК

1. Эффективное газоуплотнение: пропуск газов в картер не должен превышать 0,4...0,8% от расхода воздуха.

2. Эффективное маслоуплотнение: расход моторного масла не должен превышать 0,2..0,5 % от расхода топлива.

3. Высокая износостойкость: ресурс ПК должен быть равен моторесурсу двигателя.

4. Высокие антифрикционные свойства 50...60% внутренних потерь в двигателе приходится на поршневую группу, причем основная часть этих потерь приходится на трение ПК. Роль этих потерь увеличивается с увеличением частоты вращения. (60% потерь на трение приходится на 1-е ПК, 30% - на 2-е, 10% -3е).

5. Эффективный отвод теплоты: через ПК и уплотняющий пояс поршня отводится 70%-80% теплоты (50..60% через поршневые кольца). Наиболее интенсивно отводится теплота через первое ПК. То есть установка дополнительных ПК не влияет на температурный режим поршня. Максимальная температура для алюминиевого поршня 300-350С.

6. Отсюда следует основное требование к ПК – приспособляемость, т.е. способность плотно, без просветов прилегать к поверхности цилиндров, принимать их форму в случае износа цилиндров или их деформации. Это требование обеспечивается высокой упругостью ПК, которую они должны сохранять при высокой температуре. Однако при значительном увеличении упругости возрастают потери на трение и, следовательно, износ. Радиальное давление колец на стенки цилиндров должно лежать в пределах 0,1-0,4 МПа (меньшие значения относятся к двигателям с ИЗ, а большие к дизелям).

7. Высокая прочность, которая обеспечивает допустимое напряжение при монтаже.

8. Отсутствие вибрации ПК как в осевом, так и в радиальном направлении. Вибрация, возникающая при высоких частотах вращения, приводит к ухудшению герметичности внутрицилиндрового пространства и ухудшению теплоотвода.

Материалы для изготовления ПК

Материалы для ПК должны обладать  прочностью,  упругостью при высоких температурах,  износостойкостью и  низким коэффициентом трения. В основном для изготовления ПК используется либо серый, либо легированный чугун (присадки Cr, Ni, Mo, W).

Чугун оказывает противодействие задирам, а поврежденные поверхности трения на чугуне поддаются восстановлению в процессе работы. Вследствие наличия графита чугун обладает адсорбирующими и смазывающими свойствами. Риски и задиры на чугуне не приводят к значительному снижению предела выносливости.

Технология производства ПК должна обеспечивать необходимую форму ПК в свободном состоянии, которая в рабочем состоянии обеспечивала бы необходимую эпюру давления. Как правило, используется литьё, дальнейшую обработку по копиру. После закалки и отпуска вырезают замок. Окончательное шлифование проводят после нанесения износостойкого материала (см. далее).

Радиальное давление, как правило, увеличивают на концах кольца, так как по мере износа ПК просветы в первую очередь появляются около замка. При этом важно, чтобы ни в каком другом месте окружности ПК радиальное давление не должно быть меньше нуля, или хотя бы даже равно нулю.

Обычно применяется ПК с грушевидной или овальной эпюрами давления. Величина относительного повышения давления у замка лежит в пределах 1,2-1,4 у двигателей с искровым зажиганием и доходит до 1,8 у высокооборотных дизелей. При одинаковой степени повышения давления у замка поршневого кольца, уровень снижения давления на других участках его окружности (в зоне пониженного давления) меньше для колец с грушевидной эпюрой по сравнению с уровнем для колец с овальной эпюрой. Вместе с тем овальная эпюра позволяет проще рассчитать форму ПК и более стабильно воспроизводится.

Эпюра давления ПК зависит от типа двигателя и его быстроходности, а также от совершенства технологии. По выбранной эпюре рассчитывается форма ПК в свободном состоянии и осуществляется подготовка производства.

ПК с равномерной эпюрой давления или с незначительной степенью их повышения у замка имеет место у дизелей с турбонаддувом, вследствие их повышенной тепловой напряженности: при нагреве происходит заметное удлинение концов колец, и давление у замка повышается.

В двухтактных двигателях, чтобы избежать западания концов ПК в газораспределительные окна, ПК, либо фиксируются от проворачивания, либо изготовляются с пониженным давлением у замков.

На обкатанном технически исправном поршневом ДВС 60-70% всех утечек происходит через замки ПК. В настоящие время в ПК современных быстроходных ДВС используются исключительно прямые замки.

После установки ПК в цилиндр величина монтажного зазора в прямом замке составляет: 0,15-0,50 мм в холодном состоянии и 0,06-0,10мм в горячем состоянии.

Величина радиального зазора между внутренней стороной ПК и стенкой канавки поршня лежит в пределах 0,3-0,6 мм. Осевой зазор в канавках поршня не превосходит 0,05мм.

В зависимости от основного назначения поршневые кольца подразделяются на компрессионные (КПК) и маслосъемные (МПК). Они значительно отличаются друг от друга конструктивными параметрами.

Компрессионные ПК

В основном выполняют функцию газоуплотнения. Но в ряде случаев частично могут выполнять функцию маслоуплотнения.

В современных двигателях наблюдается тенденция к уменьшению высоты ПК (h=1,5; 2; 3мм). Такие КПК обеспечивают:

 хорошую приработку к поверхности;

 меньшее трение;

 меньшую склонность к осевому износу из-за меньшей массы;

 лучшую приспособляемость к стенке цилиндра;

 меньшую склонность к радиальным вибрациям.

Однако снижение высоты ПК приводит к уменьшению отвода теплоты в стенки. По этой причине в дизелях высоту 1-го (самого верхнего) ПК не уменьшают.

Компрессионные ПК различаются по профилю радиального сечения кольца и по форме наружной поверхности.

КПК прямоугольного сечения

Имеют широкую контактную поверхность и обеспечивают хороший отвод теплоты в стенки.

Основные недостатки

 Длительный период приработки, особенно при повышенной износостойкости материала ПК.

 Заметное насосное действие в результате чего масло поднимается в КС. При движении поршня вниз ПК прижимается к верхним торцам поршневых канавок, и масло со стенок цилиндра поступает к нижним торцевым зазорам. При обратном ходе поршня ПК перемещаются в канавках и выдавливают масло через радиальный зазор в верхний торцевой зазор и далее - в пространство над кольцами.

Для улучшения приработки и защиты КПК от прижогов цилиндрические ПК выполняются сравнительно большой высоты. На наружной поверхности ПК наносятся кольцевые канавки, которые способствуют накоплению масла и улучшению смазки в сопряжении кольцо-гильза. В настоящее время практически не применяются.

Минутные слабоконические ПК

Чтобы сократить время приработки, рабочую поверхность ПК выполняют таким образом, чтобы ее радиальное давление концентрировалось на узком пояске. По этому пояску происходит ускоренная приработка, которая разрабатывается до стабилизации уплотнения поверхности.

Такие ПК имеют коническую наружную поверхность с углом наклона 15-20 минут. При установке такого кольца на поршень надо следить, чтобы меньшее основание конуса было обращено в сторону днища поршня. Такие ПК лучше приспосабливаются к зеркалу цилиндра. При ходе поршня к ВМТ масляный клин отжимает ПК от зеркала. При обратном ходе поршня к НМТ контактный поясок будет соскабливать масло со стенок цилиндра. Этой цели способствует выточка на нижней кромке ПК. Таким образом, минутное ПК обеспечивает:  более быструю приработку;  хорошую приспособляемость к стенкам цилиндра;  частично выполнение функции маслоуплотнения.

Торсионные (скручивающиеся) ПК

Эти ПК с несимметричным сечением имеют на внутренней поверхности выточку или фаску на верхнем торце. Из-за несимметричности поперечного сечения ПК во время установки в цилиндр при сжатии такие ПК скручиваются, вследствие чего наружная образующая принимает форму усеченного конуса с малым основанием, обращенным к днищу поршня. Наружной нижней кромкой ПК упирается в стенку гильзы. Таким образом, по отношению к цилиндру образуется коническая рабочая поверхность.

Такие ПК обеспечивают ускоренную приработку и менее склонны к вибрациям, а также частично выполняют функции маслосъемных ПК. Улучшение маслоуплотняющих свойств такого кольца связано с наличием двойного точечного контакта по линиям окружности на верхнем и нижнем торцах канавки.

Недостатки: ухудшение газоуплотняющих свойств и уменьшение теплоотвода в стенки цилиндра (гильзы).

ПК с обратным торсионом

Такие ПК имеют коническую наружную поверхность с углом 1-2 и выточку на внутреннем нижнем торце кольца. Такие ПК при установке поршня в цилиндр закручиваются в обратную сторону, однако опираются на поверхность гильзы нижней наружной кромкой.

По своим свойствам такие ПК близки с скребковым. Благодаря обратному изгибу кольца масло не проникает в заколечную область. Это резко уменьшает расход масла. (Двигатели производства США, ФРГ).

Такие ПК особенно эффективны на двигателях с искровым зажиганием при их работе на режимах принудительного холостого хода (ПХХ). На этих режимах дроссельная заслонка (ДЗ) закрыта, что резко увеличивает разрежение во впускном трубопроводе, в результате чего увеличивается возможность проникновения масла в надпоршневое пространство цилиндра.

Трапециевидные ПК

Эти ПК имеют конусные торцевые поверхности. Применяются для уменьшения опасности пригорания ПК в канавках поршня. Их действие основано на том, что при радиальном движении кольца в канавках при перемещении поршня под действием боковой силы N благодаря наклонным торцевым плоскостям происходит изменение осевого зазора между кольцом и канавкой поршня. Благодаря этому накапливающийся нагар дробится и выносится из канавки. Кроме того, при уменьшении зазора такое ПК выдавливает из смолистые отложения и содействует смене смазки в зазоре.

Применение трапециевидных ПК позволяет увеличивать температуру верхней канавки на 40-50С без риска пригорания ПК. Несмотря на сложность и высокую стоимость изготовления трапециевидные ПК используются в двигателях в качестве верхних ПК, а иногда устанавливаются 2 или 3 таких ПК (дизели ЯМЗ, СМД). Необходимость установки таких ПК связана с тем, что у дизелей трудно обеспечить температуру в зоне первой канавки ниже температуры коксования масла.

ПК с оптимальным профилем (бочкообразный профиль ПК)

Такие профили могут быть симметричными и несимметричными. Целесообразность такого профиля определяется оптимальностью взаимодействия контактирующих поверхностей, что приводит к созданию оптимального масляного слоя на гильзе цилиндра. Благодаря выпуклой рабочей поверхности кольцо «всплывает» на масляном клине и скользит по рабочей поверхности цилиндра. Этим исключают «кромочный эффект» взаимодействия ПК и гильзы цилиндра.

Бочкообразный профиль применяется в сочетании с твердым хромированием наружной поверхности ПК, которой путем механической обработки придают бочкообразную форму. Применение таких ПК позволяет ускорить приработку ПК, а также уменьшить:

 потери на трение;

 потери смазочного масла;

 чувствительность к перекосам поршня и деформациям деталям ЦПГ;

 вероятность пригорания рабочих кромок ПК в форсированных двигателях.

Асимметричная рабочая поверхность ПК создана на основе изучения износа ПК. Профиль рабочий поверхности имеет такую же форму, какую он приобретает в других случаях только при длительной работе ПК. Этим достигается оптимальное прилегание ПК во время перекладки поршня и предотвращение возможного пропуска масла в камеру сгорания (КС).

Бочкообразные ПК применяются в качестве первых ПК в ДсИЗ; однако их можно устанавливать во все канавки поршня.

К недостаткам бочкообразных ПК относится сложная технология их изготовления.

Стальные компрессионные ПК

Такие ПК использовались в прошлом при изношенных поверхностях гильз цилиндров. Стальные ПК имели толщину 0,7 мм и устанавливались с распором по высоте. В одной канавке поршня размещались 3-4 таких ПК.

Маслосъемные ПК

По сравнению с компрессионными ПК отличаются более разнообразной конструкцией. Назначение маслосъёмных колец (МПК)  отвод излишнего масла со стенок цилиндра и  предотвращение его перекачки в камеру сгорания (надпоршневое пространство цилиндра), а также  регулирование условий смазки в верхней зоне цилиндров.

Основные особенности МПК:

 отсутствие газового давления за кольцом (в заколечной области ), поэтому они работают исключительно сил упругости, создающих давление порядка р = 3…4 МПа на стенки цилиндра; более высокое давлении прижатия МПК необходимо для предотвращения «отжатия» МПК от зеркала цилиндра и его «всплытия» на масляной плёнке;

 малые зазоры между торцом ПК и поршнем;

 наличие полостей, в которых собирается масло, и отверстий, через которые оно удаляется.

В зонах контакта МПК с поверхностью цилиндра на всех режимах работы должна сохраняться масляная плёнка толщиной 0,003…0,012 мм.

К маслосъемным ПК также предъявляются требования приспособляемости, т.е. способности отслеживать форму цилиндра, что дает возможность получить тонкую равномерно распределенную масляную пленку на рабочей поверхности цилиндра. На МПК приходится от 30-60% общего трения пакетов всех ПК. Радиальное давление достигает 3 МПа, что требует хромирования рабочей поверхности.

Все МПК являются кольцами дренажного типа: удаление масла со стенок его слив в поддон осуществляется через дренажное отверстие в поршне, просверленное внутри канавок, либо внутри канавок и под ними.

МПК коробчатого типа

Такие МПК имеют два скребка с расположенными между ними маслоотводящими окнами. Прямоугольные окна фрезеруются по окружности ПК (двигатели ЯМЗ)

МПК скребкового типа

Имеют остроугольную соскабливающую кромку. Для сбора и отвода масла на их нижней торцевой поверхности делают проточку и дренажные вырезы. Дренажные отверстия располагаются только под ними. Такие МПК при ходе поршня к ВМТ отжимаются масляным клином; перемещаясь вниз, эти МПК соскабливают масло со стенок цилиндра (двигатели ВАЗ). Обычно используются два МПК такого типа, которые устанавливаются в одной канавке. Между рабочими поясками таких МПК имеется канавка-резервуар для сбора масла, отвод которого в запоршневое пространство осуществляется через дренажные отверстия в поршне. Эффективность таких МПК повышается в случае применения радиальных расширителей (дизели СМД).

МПК коробчатого типа с тангенциальным расширителем

Имеют две острые высотой 0,4 мм хромированные кромки и браслетный тангенциальный расширитель, который создает усилие на МПК как по радиусу, так и под острым углом по отношению к касательной. Это обеспечивает проворачивание МПК, более равномерный износ и более равномерное усилие. Использование таких МПК снижает удельный расход масла до уровня 0,2- 0,4% от расхода топлива (дизели КамАЗ -740).

Составные стальные МПК

Эти МПК являются многоэлементными и из двух кольцевых стальных дисков и двух расширителей: радиального и осевого. Расширители изготовлены из тонкой стальной ленты и стали 50Г. Преимущественно используются в ДсИЗ. Радиальный расширитель прижимает стальные кольца к стенкам цилиндра с давлением р =0,8 МПа. Осевой расширитель прижимает ПК к стенкам канавки поршня.

Приспособляемость сборных МПК в 5-7 раз выше, чем обычных коробчатых, что достигается благодаря малой радиальной толщине кольца, а также хромированию шлифовке скребков. Расширители позволяют за счёт собственной упругости повысить давление опорного кольца на стенку при минимальной его толщине. Такое кольцо лучше приспосабливается к изменениям формы поверхности цилиндра, а удельное давление мало зависит от износа элементов МПК.

Расход масла составляет 0,5-0,6% от расхода топлива (двигатель МеМЗ- 245).

Основные преимущества такого типа МПК заключаются в достижение высокого маслосъемного эффекта при возможно малом давлении ПК на стенку цилиндра. Это обеспечивает малые потери на трение, меньший износ и снижение расхода топлива.

Покрытия рабочих поверхностей ПК

Назначение

1) Ускорение приработки ПК и предохранение от прижогов период обкатки. 2) Улучшение характеристик трения и ресурсов ПК.

Хромирование ПК (63% моделей двигателей) применяется, в первую очередь, для первого ПК, находящегося в наиболее тяжелом положении. Реализуется нанесением на поверхность прочного износоустойчивого слоя хрома толщиной 0,10…0,20 мм.

Достоинства хрома

1. Высокая твердость: значительно тверже материала колец, гильзы и абразивных частиц; таким образом, снижается износ вследствие истирания.

2. Высокая температура плавления (1920С), что на 650 выше температуры плавления стали. Это предотвращает схватывание и прижоги ПК.

3. Малый коэффициент трения хрома по чугуну и стали, что снижает потери на трение в условиях отсутствия смазки.

4. Высокая коррозионная стойкость хромового покрытия, что также уменьшает износ и увеличивает моторесурс двигателя.

Применение хромового покрытия уменьшает износ рабочей поверхности цилиндра на 50 % и износ ПК на 30% по сравнению с нехромированными ПК. Кроме того, уменьшается износ и стенок канавки поршня.

Хромированию подвергаются также и нагруженные поверхности МПК .

Недостатки хромирования

1. Трудность приработки ПК

2. Низкая стойкость к термическим напряжениям.

3. Плохое удержание масла на поверхности.

4. Высокие внутренние напряжения не позволяют наносить слой хрома большей толщины, что в свою очередь не обеспечивает необходимый ресурс работы.

С целью преодоления этих недостатков применяют ряд следующих конструктивных решений.

1. Наружной поверхности ПК придают бочкообразную форму.

2. Выполняют проточки на рабочей поверхности ПК перед хромированием.

3. Применяют специальное притирание рабочей поверхности, в результате которой на рабочей поверхности образуется плосковершинная шероховатость и заполняемые маслом углубления.

4. Используют обкаточные масла и добавки к топливу для ускорения приработки.

Покрытие ПК молибденом (32% двигателей)

Преимущества

1. Высокая температура плавления (2620С), что определяет его высокую стойкость против прижогов.

2. Молибден имеет пористую структуру, что способствует удержанию смазки на поверхности ПК.

3. Окись молибдена, образующаяся при трении, обладает смазывающей способностью.

К недостаткам молибденового покрытия относятся его невысокая износостойкость по сравнению с хромом. Однако слой молибденового покрытия может быть нанесен существенно больший , чем слой хрома.

Металлокерамические покрытия (плазменное напыление)

Применяется в высоко форсированных двигателях. Сущность плазменного напыления заключается в пропускании смеси газов через электрическую дугу. В электроде начинается разложение газа и образование плазмы с последующим освобождением энергии в форме теплоты при температуре 15000-20000С. При этом газ сильно расширяется, и плазма движется с высокой скоростью. В поток плазмы подается материал, подлежащий нанесению; он расплавляется и с большой силой набрасывается на поверхность ПК. Сочетание большой скорости и температуры обеспечивает прочность сцепления наносимого материала с основным.

Износостойкость плазменного покрытия в 2 раза выше по сравнению с плотным хромовым покрытием.

Материалы керамических покрытий - на основе алюминия и окислов азота, а также молибдена. Покрытия имеют высокую износостойкость, но недостаточную механическую прочность (скалывание).

Приработочные покрытия

В отличии от остальных видов покрытий, которые увеличивают срок службы ПК, эти покрытия предназначены для ускорения приработки ПК. К ним относятся: фосфатирование, сульфидирование, меднение, лужение, кадмирование, керамика.

Фосфатирование осуществляется обработкой в горячих ваннах в растворе фосфорной кислоты, которая насыщенна фосфатами железа и марганца. На поверхности ПК образуется кристаллы фосфата железа. В период приработки эти кристаллы отрываются от поверхности ПК и, попадая в масло, работают как полировачно-притирочная паста. Кроме того, в силу своей пористости этот слой хорошо удерживает масло. В результате после приработки фосфатированного кольца получается гладкая полированная рабочая поверхность.

Лужению подвергаются, как правило, нехромированные ПК. Это ускоряет приработку ПК и предохраняет от коррозии слой олова 0,005…0,0075 мм.

Твердость кадмированного покрытия выше, чем при лужении, однако коррозионная стойкость ниже.

Меднение ПК применяется для хромированных колец - оно улучшает и ускоряет процесс приработки.