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 Ру и силой давления газов Рr, проникающих через зазор между поршнем и цилиндром в надкольцевое пространство а и закольцевое в (рис. 7.1). 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 Рr за вторым — 0,20 Рrи за третьим — 0,08 Рr. С наибольшей силой к втулке цилиндра прижимается первое кольцо, оно же по этой причине, а также и в связи 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 7.1- ж). 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 Ь. 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:
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. 7.3 – А). На новых кольцах рабочие кромки обычно слегка закруглены.
Кольцо (рис.7.3 – В) 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.7.3 – С). Представленное на рис.7.3 – Е 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-х тактных двигателях со смазкой разбрызгиванием, при которой излишне
большое и нерегулируемое количество масла забрасывается на стенки цилиндров.
В 2-х 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.
