О качестве поршневых колец
Технический прогресс затрагивает даже самые мелкие, на первый взгляд, детали автомобиля.
Поршневые кольца в этом не только не отстают от других “железок”, но могут служить примером (см. таблицу).
Начнем плясать от печки, вернее, от поршня. По мере совершенствования двигателей канавка первого поршневого кольца постепенно сдвигалась вверх – ближе к камере сгорания. Это, во-первых, позволяет уменьшить высоту и массу поршня, во-вторых, что сегодня важнее, – снизить токсичность отработавших газов, сократив объем полости между стенкой цилиндра и верхним (жаровым) поясом поршня – попавшие сюда пары топлива практически не сгорают. Очевидно, что приближение кольца к камере сгорания отразилось на его температуре. Чтобы сдержать ее рост, приходится уменьшать зазор между поршнем и стенкой цилиндра, но при этом крайне необходимо очень точно профилировать поршень, иначе не избежать задиров. В холодном состоянии диаметр цилиндра в районе жарового пояса делают переменным по высоте – с небольшой конусностью. И лишь после нагрева поршень становится действительно цилиндрическим.
Еще одна проблема – износ канавок колец. Для борьбы с ним в алюминиевом теле поршня делают твердые вставки под одно или два верхних кольца – на дизелях такая конструкция давно стала нормой. Иногда такое решение подталкивает к изменению термообработки самих колец, но об этом чуть позже.
Один из главных вопросов, который приходится решать сегодня, – выбор материала для колец: чугун или сталь? Хотя, кажется, совсем недавно вопрос так остро не стоял. Традиционный материал колец – высокопрочный чугун с глобулярным графитом (вид микроструктуры чугуна) – всем был хорош, пока высота колец составляла 2,0–2,5 мм. Следуя тенденции к снижению этого размера, сейчас из чугуна делают кольца высотой менее 1,5 мм. Пределом может стать 1,2 мм, а вот дальше – увы… компрессионные кольца высотой 1,2 мм (норма для большинства перспективных двигателей), 1,0 мм и даже 0,8 мм (есть и такие) уже сегодня предпочитают делать из стали. Меньшая высота пояса колец позволяет конструкторам заметно снизить высоту поршня, а значит, уменьшить высоту двигателя, повысить жесткость конструкции, снизить силы инерции и увеличить максимальную частоту вращения. Вот вам и маленькая деталь. Добавим, что стальные кольца почти никогда не ломаются, обладают большей упругостью и прочностью на изгиб, позволяют добиться меньшего износа как самого кольца, так и канавок (читай – увеличить ресурс).
Медленно, но верно изменяется и термообработка колец. Сегодня еще считается современным покрытие рабочей поверхности кольца хромом или молибденом. Но вот уже несколько лет серийно изготавливают кольца с хромированием всей поверхности первого кольца. Необходимость этого обусловлена как раз вставками в поршень, которые упоминались выше. Ведь контактирующее со вставкой кольцо быстрее изнашивается по нижней и верхней поверхностям. Следующий этап – азотирование стальных колец по всей поверхности. А дальше? У колец фирмы SM (“Шоттле Моторентайле”, ФРГ) для моторов формулы 1 на рабочую поверхность нанесено титановое покрытие, которое после азотирования превращается в нитрид титана (фото 1). Получаемая твердость почти в два раза выше, чем при хромировании. Такие кольца уже делаются серийно.
Есть новинки и в механической обработке колец. Сегодняшний конек фирмы “Шоттле” – микрохонинговка рабочей поверхности глубиной 0,001 мм: такая поверхность кажется матовой и приобретает привычный блеск только после приработки.
Хороший пример того, как влияют современные технологии на срок службы изделий, – новый “Мерседес-Актрос”: устанавливаемые на нем кольца рассчитаны на 1 млн. км (!).
Второе поршневое кольцо особого внимания конструкторов не заслужило и лишь копирует некоторые технические решения, применяемые при изготовлении “первого номера”. А вот третьему кольцу кое-что перепало. Здесь тоже наблюдается борьба стали и чугуна, но не столь острая. Общие тенденции таковы: на бензиновые двигатели чаще ставят составные маслосъемные кольца (фото 2), на дизели – более привычные с перевернутой П-образной формой сечения (фото 1). Но борьба за уменьшение размеров ведется и здесь.
Японские поршневые кольца (а отделение фирмы SM, специализирующееся на кольцах, принадлежит японской компании NPR) поставляют в Россию вот уже четыре года. Означает ли это, что машины некоторых россиян имеют такие же кольца, как на “шестисотом” “Мерседесе”? В общем, да. Но ресурса, близкого к самому престижному в России автомобилю, им не достичь – слишком много факторов влияет на работу колец. Важнейших – четыре: геометрия цилиндра, качество его хонинговки, качество масла и очистка воздуха. Испытатели ЗР находили задиры в цилиндрах совсем новых отечественных машин. Вот вам и условия работы колец. Даже такая мелочь, как нестандартная прокладка головки блока при стандартных моментах затяжки, может вызвать отклонение в геометрии цилиндров (а несоблюдение самого момента затяжки и подавно). Не менее важно, как поставить кольцо, используя специальные приспособления. Стоит перестараться с разжиманием кольца, и комплект можно выбрасывать. Ведь даже при видимом сохранении формы необходимого распределения давления по окружности цилиндра уже не достичь.
Наша справка
НА ПРЕОДОЛЕНИЕ ТРЕНИЯ поршневых колец приходится от 40 до 60% всех механических потерь в двигателе. В особо тяжелых условиях работает первое кольцо. На него приходится около 60% потерь на трение всех колец, оно сдерживает примерно 50% давления газов в цилиндре, а при отсутствии масляного охлаждения поршня пропускает через себя до 60% тепла, достающегося поршню.
Отметим попутно одно из преимуществ стальных азотированных колец – способность работать по любому материалу цилиндра, будь то чугун, алюминий, сталь, никасиль или хром, чего нельзя сказать о кольцах с покрытием молибдена или хрома.
И наконец о том, почему за рубежом не выпускают колец ремонтных размеров, ведь их индивидуальный подбор кажется просто необходимым. Ответ прост. Установка кольца с номинальным размером в цилиндр с наибольшим ремонтным размером приведет к увеличению зазора в замке кольца с 0,2–0,4 мм до 0,35–0,55 мм. А при всех “номинальных” размерах – уже через 10–20 тыс. км пробега зазор оказывается не меньше. Вот и решили там, что изготовление колец под все ремонтные размеры экономически неоправданно, а хорошая работа колец достигается совсем иначе. Как – мы уже рассказали.
Автор: Александр БУДКИН
Поршневые кольца: виды, функции, типичные проблемы
Поршневые кольца являются неотъемлемыми элементами цилиндро-поршневой группы двигателя. Они представляют собой детали в форме незамкнутой окружности, установленные с минимальным зазором в специальные канавки на внешних поверхностях поршней.
Основная функция поршневых колец состоит в придании необходимого радиального давления для поддержания уплотнения между поршнем и цилиндром.
Рассмотрим виды, назначение и правила обслуживания колец подробнее.
Виды и функции колец
Почти во всех двигателях установлены 2 типа поршневых колец: компрессионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца
Компрессионные кольца (от трех до семи штук) вставляются в специальные пазы в верхней части поршня.
Они обеспечивают герметичность камеры сгорания, участвуют в передаче тепла от поршня к гильзе цилиндра, а также поглощают часть поршневых колебаний из-за боковой тяги.
Верхнее компрессионное кольцо имеет несколько конфигураций: оно может быть плоским, перекрученным или с L-образным участком. Верхняя и нижняя поверхности перекрученного кольца лежат в канавке под легким наклоном, контактируя с отверстием цилиндра только краями рабочей стороны.
Изделия с L-образным участком отличаются конструкцией большого выступа, имеющего форму буквы L. Уплотнительная способность таких колец зависит от силы давления газов, которая действует на заднюю часть выступа. При высоком давлении в цилиндре – например, после сгорания топливовоздушной смеси или в такте сжатия – кольца с L-образным участком увеличивают усилие, прикладываемое к стенкам. Когда давление в цилиндре низкое, они ослабляются, тем самым снижая трение и износ.
Второе (нижнее) компрессионное кольцо дополняет работу маслосъемного и обеспечивает уплотняющую функцию. Оно препятствует попаданию газов в картер, предотвращает детонацию и проникновение излишков моторного масла в камеру сгорания.
Некоторые кольца специально сделаны скошенными – для большей эффективности в удалении масла со стенок цилиндра при движении вниз. Новыми конструкциями являются кольца без зазора. Их использование способствует скорейшей приработке двигателя и более высокой мощности ДВС.
Маслосъемное кольцо
Благодаря маслосъемному кольцу с компрессионных колец, поршня и внутренней стенки цилиндра удаляется лишнее моторное масло.
После его прохода на поверхностях остается небольшая масляная пленка (толщиной в несколько микрон). В канавке маслосъемного кольца предусмотрены прорези или радиальные отверстия, по которым излишки масла возвращаются в поддон.
Выделяют 2 вида маслосъемных колец: цельные и составные. Последние состоят из двух тонких колец, а также осевого и радиального расширителей. Такие модели дешевле в производстве, поэтому встречаются чаще, чем чугунные цельные.
В некоторых случаях на поршень устанавливается не по одному, а по два цельных или составных кольца.
Функции поршневых колец
Подводя итог вышесказанному, можно выделить следующие функции поршневых колец:
- Компрессия. Уплотняющие кольца поддерживают изоляцию камеры сгорания от картерного пространства, что способствует более эффективному сжатию топлива.
- Экономия расхода масла. Маслосъемные кольца снимают часть масла со стенок цилиндра во время работы двигателя, благодаря чему оно не попадает в камеру сгорания.
- Теплообмен. При сгорании топливно-воздушной смеси температура внутри камеры достигает примерно +300 °С. Кольца отводят тепло к цилиндру во избежание повреждения поршня из-за перегрева.
- Снижение горизонтальных колебаний поршня. Благодаря плотной посадке кольца не дают поршню перемещаться в горизонтальном направлении, что предотвращает износ ЦПГ.
Из чего изготавливают поршневые кольца?
Для производства поршневых колец используются высокопрочные виды чугуна или нержавеющая сталь. Предел прочности и теплостойкость стали выше, однако чугунные изделия дешевле, обеспечивают более легкую и быструю приработку.
Верхние компрессионные поршни из стали чаще всего обрабатываются оловом или пористым хромом (сталь становится легированной).
Увеличенным сроком службы и способностью к быстрой приработке отличаются кольца с молибденовым покрытием.
Похожие антифрикционные покрытия наносятся также на юбки поршней – в целях продления работоспособности этих важнейших элементов двигателя.
Сегодня имеется возможность использовать покрытия не только в процессе производства поршней, но и перед их установкой, заменой и в прочих незаводских условиях.
Современные антифрикционные материалы выпускаются в форме жидких средств, по консистенции напоминающих краски, или в аэрозольных баллонах. В России покрытия для деталей ДВС и узлов промышленного оборудования выпускает компания «Моделирование и инжиниринг».
Для юбок поршней, вкладышей коленчатых и распределительных валов, шлицевых соединений, дроссельных заслонок, штоков клапанов предназначено антифрикционное твердосмазочное покрытие (АТСП) MODENGY Для деталей ДВС.
Благодаря основным действующим компонентам – высокодисперсному дисульфиду молибдена высокой степени очистки и графиту – оно предотвращает появление задиров на юбках поршней, защищает их от повышенного трения и механических повреждений. В результате применения этого материала снижается шум при работе двигателя, повышается его КПД, уменьшается расход топлива.
Удобная аэрозольная упаковка позволяет наносить покрытие быстро и равномерно. Состав высыхает при комнатной температуре за 12 часов, при нагреве до +170 °C – за 20 минут.
Перед использованием материала поверхности подготавливаются с помощью Специального очистителя-активатора MODENGY, который гарантирует отличную адгезию покрытия и долгий срок его службы.
Последствия износа поршневых колец
При износе поршневых колец зазор между поверхностью детали и стенками цилиндра увеличивается. В результате газы, образующиеся при сгорании топливно-воздушной смеси, проникают в масляный картер, снижая эффективность работы двигателя и ухудшая характеристики моторного масла.
Продукты разрушения масла и сгорания бензина, в свою очередь, способствуют образованию отложений в кольцевых канавках, что приводит к снижению подвижности и залеганию колец.
Последствия износа поршневых колец легко заметить без разборки двигателя. Задуматься о смене колец следует, если обычная норма потребления масла вдруг резко возросла, а при запуске ДВС из выхлопной трубы идет синий дым (моторное мало горит).
Выбор и замена поршневых колец
От качества поршневых колец напрямую зависит срок их службы и возможности вашего двигателя, поэтому, выбирая новые комплекты этих деталей, обратите внимание на следующие моменты:
- Цена. Дешевые детали долго не прослужат
- Внешний вид и содержание упаковки. На упаковке должна содержаться полная информация об изготовителе, материалах и т.д. Внутри нее должна быть подробная инструкция по установке деталей
- Внешний вид самих колец. Детали не должны иметь даже самых мелких дефектов, неровностей металла и пр.
Замена поршневых колец – процедура несложная. Для снятия колец разведите их края до тех пор, пока они не выйдут из канавки. Сделать это можно небольшой плоской отверткой, но лучше специальным цанговым инструментом, который пригодится вам и при установке новых колец.
Далее очистите канавки от нагара. Без этой процедуры установить поршень обратно в цилиндр будет достаточно сложно. Для удаления загрязнений воспользуйтесь подходящим инструментом или старым компрессионным кольцом, сломанным на две части. После очистки канавок проверьте их на наличие повреждений.
Перед установкой новых колец обязательно ознакомьтесь с инструкцией – в ней содержится информация о последовательности действий и правильном расположении деталей.
Все операции проводите аккуратно, помните, что прочность нижнего компрессионного и маслосъемного колец ниже, чем у верхнего компрессионного.
Первым установите нижнее кольцо. Чтобы его случайно не деформировать, контролируйте усилия. Если на кольце имеется маркировка «TOP», его нужно располагать маркированной частью в сторону днища поршня.
После установки проверьте зазоры между боковыми поверхностями колец и стенками цилиндра. Он должен составлять до 0,1 мм. Если указанная цифра больше, предстоит менять сами поршни, возможно, в расточке или перегильзовке нуждается цилиндр.
По завершению замены колец произведите обкатку ДВС в течение 3-5 тыс. км. В процессе обкатки обязательно прогревайте двигатель после запуска, не эксплуатируйте его на высоких оборотах, избегайте длительного простоя на холостых и движения на повышенных передачах с малой скоростью.
Из чего делают поршневые кольца
Простой ответ: Поршневые кольца образуют уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра, что предотвращает попадание газообразных продуктов сгорания в масляный поддон. Они регулируют потребление масла, предотвращая попадание избыточного моторного масла в камеру сгорания и как следствие его горения. Правильно функционирующие кольца жизненно важны для максимальной мощности и эффективной работы двигателя.
Подробный ответ: Большинство серийных автомобилей используют три типа поршневых колец:
Верхнее и второе кольца отвечают за плотное нажатие на стенку цилиндра и герметизацию камеры сгорания, удерживая картерные Газы и масло. Маслосъемное кольцо собирает масло со стенок цилиндра по пути вниз по цилиндру, возвращая его обратно в масляный поддон. Поскольку чрезвычайно тонкая пленка масла смазывает поверхность кольца и стенки цилиндра, это нормально, когда какое-то масло горит во время работы двигателя. Однако, что собой представляет «нормальный» расход масла, зависит от типа и состояния износа двигателя.
Когда поршневые кольца становятся изношенными.
Изношенные кольца могут образовывать промежуток между поверхностью кольца и стенкой цилиндра. В процессе горения отработанные газы, которые приводят поршень в движение вниз по цилиндру и поворачивают коленчатый вал, могут пропускаться через поршень и перемещаться вниз по стенке цилиндра и попадать в масляный картер, отбирая с собой лошадиные силы и уменьшая эффективность работы двигателя. Такого рода пропуски также загрязняют моторное масло, снижая его производительность и срок службы.
Залегшие кольца могут привести к такому же сценарию. Чрезвычайно горячие газы из камеры сгорания могут разрушать масло, образуя отложения углерода в кольцевых каналах. Также могут образовываться побочные продукты бензина. Тяжелые отложения заставляют кольца залегать в масло отводящих каналах, и не разжиматься от поршня, образуя тем самым промежуток между кольцом и стенкой цилиндра, что приводит прорыву картерных газов и повышенному расходу моторного масла.
Синий дым из выхлопной труб, затрудненный запуск и потеря мощности.
Последствия изношенных колец часто легко заметить. Чрезмерное потребление масла может привести к выгоранию синего дыма из вашей выхлопной трубы, особенно при запуске до прогрева двигателя, и до того, как кольца расширились в цилиндре. Горение масла также означает, что вам также нужно чаще доливать масло.
Изношенные или залегшие кольца также могут привести к затрудненным запускам и снижению мощности. Когда двигатель останавливается, поршень все еще сжимает топливно-воздушную смесь перед сгоранием. Изношенные кольца, однако, позволяют части топливно-воздушной смеси проходить мимо камеры сгорания, что приводит к снижению компрессии и затрудненному запуску двигателя. Когда он работает, потеря компрессии лишает ваш двигатель мощности.
Предотвращение — лучшая практика
Предотвращение изношенных и застрявших колец жизненно важно для поддержания мощности на максимальном уровне, эффективности и срока службы вашего двигателя. Это начинается с использования высококачественного синтетического масла, которое борется с износом и выдерживает высокие температуры, сохраняя поршни в чистоте. Например, синтетическое моторное масло серии BG 737 обеспечивает:
- На 75% больше защиты двигателя от износа и потери мощности, чем требуется в соответствии с ведущим отраслевым стандартом *, продлевая срок службы жизненно важных компонентов, таких как поршни и коленно-шатунный механизм.
- На93% чистых поршней, чем требуется в соответствии с ведущим отраслевым стандартом *
Если вы подозреваете, что ваши кольца изношены или залегли, подумайте о том, чтобы использовать масло с большей вязкостью, рекомендованное заводом изготовителем (OEM). Некоторые OEM-производители рекомендуют диапазон вязкости, в зависимости от вашего климата (например, 5W-20, когда он холодный, 10W-30, когда он выше 0ºС). Использование наивысшей рекомендуемой вязкости может помочь сократить зазор между кольцами и стенкой цилиндра.
Вы также можете раскоксовать залегшие кольца, используя качественные очистители BG109 и BG211 или топливные присадки, предназначенную для очистки отложений, таких как очиститель топливной системы бензиновых двигателей BG 208 (044k) и очиститель топливной системы дизельных двигателей BG 244.
Вывод
В конструкции двигателя нет мелочей. И конечно, простой автолюбитель всё это знать не может. Да и не должен. Если он хочет ездить на качественно отремонтированном автомобиле, пусть нанимает квалифицированного специалиста или ремонтирует машину в нормальном автосервисе. Нет денег – пусть обкладывается книгами и делает ремонт сам, если нет возможности заработать побольше. Третьего не дано. А любознательным я посоветую прочитать книги, которыми пользовался при подготовке материала. Интереснее и полезнее любого детектива.
Волгин В.В. Ремонтируем двигатели своими руками. М.: издательство «Ливр», 1998 – 144 с.