Поршневое кольцо представляет собой эластичное металлическое открытое кольцо, которое в зависимости от своих функций может быть разделено на два типа: газовое и маслосъемное. На верхней части головки поршня устанавливаются от 2 до 4 воздушных колец, а на нижней — от 1 до 2 маслосъемных колец.
Функция газового кольца заключается в обеспечении герметичности между поршнем и стенкой цилиндра и предотвращении утечки газа высокого давления из верхней части поршня в картер. При плохой герметизации утечка газа в такте сжатия увеличивается, что снижает давление в конце сжатия и затрудняет запуск двигателя внутреннего сгорания. Утечка высокотемпературного газа в картер также повышает температуру поршня, а масло окисляется и портится из-за нагрева. Помимо функции герметизации, газовое кольцо также выполняет функцию теплопередачи. Большая часть тепла, поглощаемого верхней частью поршня, передается на стенку цилиндра через газовое кольцо (поскольку головка поршня не соприкасается со стенкой цилиндра), а затем отводится внешней охлаждающей средой.
Газовое кольцо, особенно первое, помимо высокоскоростного возвратно-поступательного линейного движения вдоль стенки цилиндра вместе с поршнем, также подвержено воздействию давления высокотемпературного и высоконапорного газа, а также плохих условий смазки, что снижает механические свойства газового кольца. Уменьшается его эластичность, что приводит к карбонизации смазочного масла и может даже вызвать смещение цилиндра и утечку воздуха. Поэтому необходимо, чтобы газовое кольцо обладало достаточной упругостью, чтобы обеспечить плотное прилегание кольца к стенке цилиндра. В этом случае утечка газа высокого давления через контактную поверхность между газовым кольцом и стенкой цилиндра исключена. Газ, воздействующий на верхнюю торцевую поверхность кольца, плотно прижимает его к канавке поршневого кольца, так что нижняя торцевая поверхность плотно соприкасается с канавкой. Газ, проникающий между внутренней стороной кольца и канавкой, выталкивает кольцо наружу, обеспечивая более плотное прилегание кольца к стенке цилиндра. Таким образом, утечку газа высокого давления можно предотвратить, используя упругую силу самого газового кольца и давление газа.
Поршневые кольца обычно изготавливаются из высококачественного серого чугуна или легированного чугуна. Для улучшения рабочих характеристик первого газового кольца и повышения его износостойкости на его поверхность часто наносят пористый слой хрома или молибдена. В последние годы первое газовое кольцо также изготавливают из высокопрочного чугуна или стали. В свободном состоянии наружный диаметр кольца немного больше диаметра цилиндра. После установки в цилиндр поршневое кольцо создает упругое усилие и прижимается к стенке цилиндра, при этом в отверстии должен быть оставлен определенный зазор (называемый торцевым зазором или зазором открытия, зазор открытия поршневого кольца двигателя внутреннего сгорания обычно составляет 0,4–0,8 мм), чтобы предотвратить застревание поршневого кольца в цилиндре при нагреве и расширении. После установки поршневого кольца в канавку также должен быть определенный зазор по высоте (называемый боковым зазором, боковой зазор поршневого кольца двигателя внутреннего сгорания обычно составляет 0,08–0,16 мм). При установке поршневых колец на поршень отверстия каждого кольца должны быть смещены на 120°–180°, а отверстие поршневого кольца должно быть смещено более чем на 45° относительно отверстия для седла поршневого пальца, чтобы предотвратить утечку газа после установки поршневых колец в цилиндр.
Для улучшения условий работы поршневого кольца и обеспечения лучшей подгонки поршневого кольца к цилиндру, некоторые поршневые кольца имеют различное сечение, поэтому при установке следует проявлять особую осторожность. Основная форма поперечного сечения газового кольца — прямоугольник. Прямоугольное кольцо легко изготавливается и широко используется, но его характеристики приработки относительно невелики, и оно не может соответствовать постоянно ужесточающимся требованиям к двигателю. Это распространенное компрессионное кольцо может свободно устанавливаться в канавку газового кольца. В некоторых двигателях используется коническая конструкция кольца. Рабочая поверхность кольца имеет угол конусности от 0,5° до 1,5°, что уменьшает площадь контакта между рабочей поверхностью кольца и стенкой цилиндра и ускоряет приработку. Угол конусности также выполняет функцию удаления масла. Однако износ конусного кольца происходит быстро, что влияет на срок службы. Устанавливайте кольцо скошенной стороной вниз.
В некоторых двигателях внутреннего сгорания используются спиральные кольца. Часть верхнего края внутреннего или нижнего края внешнего круга спирального кольца срезается, образуя ступенчатое сечение. Такое сечение асимметрично внутри и снаружи. После установки кольца в цилиндр и сжатия под действием асимметричной внутренней силы происходит значительный наклон сечения, так что на внешней поверхности кольца образуется конусообразная поверхность с небольшой вершиной и большим основанием, что уменьшает размер кольца. Площадь контакта со стенкой цилиндра облегчает вращение кольца и обеспечивает эффект отвода масла вниз. Кроме того, верхняя и нижняя торцевые поверхности кольца соприкасаются с верхней и нижней торцевыми поверхностями канавки кольца в соответствующих местах, что не только повышает герметичность, но и предотвращает перемещение поршневого кольца вверх и вниз в канавке, а также износ и попадание масла из насоса. При установке кольца необходимо обращать внимание на его вертикальное положение. Не допускается установка в обратном порядке. Внутренний срез должен быть направлен вверх, а внешний — вниз. В некоторых двигателях внутреннего сгорания с большой тепловой нагрузкой для улучшения противозакоксовывающей способности газового кольца часто используются трапецеидальные кольца. Зазор между торцевой поверхностью кольца и канавкой кольца изменяется при боковом движении поршня под действием боковой силы, что позволяет разрушать углеродные отложения в канавке кольца и предотвращать прилипание и заклинивание поршневого кольца. Это кольцо можно устанавливать по желанию, как и обычные газовые кольца.
Существует также разновидность газового кольца с торцевой поверхностью, рабочая поверхность которого представляет собой выпуклую дугу, а его верхняя и нижняя части имеют клиновидную форму относительно стенки цилиндра, что обеспечивает легкость приработки, хорошие смазывающие свойства и прочное уплотнение. Такие кольца широко используются для повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания. Как и обычные компрессионные кольца, это кольцо может свободно устанавливаться в канавку газового кольца.
Дата публикации: 04.08.2022