แหวนลูกสูบและแหวนแก๊สในชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล มีหน้าที่และหลักการทำงานอย่างไร?

แหวนลูกสูบเป็นแหวนโลหะแบบเปิดที่มีความยืดหยุ่น ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทตามหน้าที่ คือ แหวนอากาศและแหวนน้ำมัน โดยที่ส่วนบนของหัวลูกสูบจะติดตั้งแหวนอากาศ 2 ถึง 4 วง และส่วนล่างจะติดตั้งแหวนน้ำมัน 1 ถึง 2 วง
หน้าที่ของแหวนลูกสูบคือการปิดผนึกระหว่างลูกสูบและผนังกระบอกสูบ และป้องกันไม่ให้ก๊าซแรงดันสูงที่อยู่ด้านบนของลูกสูบรั่วเข้าไปในห้องข้อเหวี่ยง เมื่อการปิดผนึกไม่ดี ก๊าซในจังหวะอัดจะรั่วมากขึ้น ซึ่งจะลดแรงดันในตอนท้ายของการอัด ทำให้สตาร์ทเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ยาก การรั่วไหลของก๊าซอุณหภูมิสูงเข้าไปในห้องข้อเหวี่ยงยังจะเพิ่มอุณหภูมิของลูกสูบ และน้ำมันหล่อลื่นจะเกิดการออกซิเดชันและเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อน นอกจากหน้าที่ในการปิดผนึกแล้ว แหวนลูกสูบยังมีบทบาทในการถ่ายเทความร้อน ความร้อนส่วนใหญ่ที่ดูดซับโดยส่วนบนของลูกสูบจะถูกส่งไปยังผนังกระบอกสูบผ่านแหวนลูกสูบ (เนื่องจากหัวลูกสูบไม่ได้สัมผัสกับผนังกระบอกสูบ) จากนั้นจึงถูกระบายออกโดยสารหล่อเย็นภายนอก
แหวนลูกสูบ โดยเฉพาะแหวนลูกสูบตัวแรก นอกจากจะเคลื่อนที่ไปมาด้วยความเร็วสูงตามผนังกระบอกสูบพร้อมกับลูกสูบแล้ว ยังได้รับผลกระทบจากแรงดันของก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง รวมถึงสภาวะการหล่อลื่นที่ไม่ดี ซึ่งจะลดคุณสมบัติทางกลของแหวนลูกสูบ ความยืดหยุ่นลดลง และจะทำให้เกิดการไหม้เกรียมของน้ำมันหล่อลื่น และอาจทำให้กระบอกสูบเสียหายและเกิดการรั่วไหลของอากาศได้ ดังนั้น แหวนลูกสูบจึงจำเป็นต้องมีแรงยืดหยุ่นเพียงพอที่จะทำให้ขอบของแหวนแนบสนิทกับผนังกระบอกสูบ ในขณะนี้ ก๊าซแรงดันสูงจะไม่สามารถรั่วไหลผ่านพื้นผิวสัมผัสระหว่างแหวนลูกสูบกับผนังกระบอกสูบได้ ก๊าซที่กระทำต่อด้านบนของแหวนจะกดแหวนให้แน่นในร่องแหวนลูกสูบ ทำให้ด้านล่างของแหวนสัมผัสกับร่องแหวนอย่างใกล้ชิด ก๊าซที่เข้าไประหว่างด้านในของแหวนกับร่องแหวนจะดันออกไปด้านนอก ทำให้แหวนแนบสนิทกับผนังกระบอกสูบมากขึ้น ดังนั้น การรั่วไหลของก๊าซแรงดันสูงจึงสามารถป้องกันได้โดยใช้แรงยืดหยุ่นของแหวนลูกสูบเองและแรงดันของก๊าซ
แหวนลูกสูบมักทำจากเหล็กหล่อสีเทาคุณภาพสูงหรือเหล็กหล่อผสม เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานและเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอของแหวนลูกสูบ มักมีการเคลือบชั้นโครเมียมที่มีรูพรุนหรือชั้นโมลิบเดนัมบนพื้นผิวของแหวนลูกสูบ ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ แหวนลูกสูบยังทำจากเหล็กดัดหรือเหล็กกล้าอีกด้วย ในสภาพอิสระ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของแหวนจะใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของกระบอกสูบเล็กน้อย หลังจากติดตั้งในกระบอกสูบแล้ว แหวนลูกสูบจะสร้างแรงยืดหยุ่นและถูกกดกับผนังกระบอกสูบ ดังนั้นควรเว้นช่องว่างไว้ที่ปลายแหวน (เรียกว่าช่องว่างด้านปลายหรือช่องว่างเปิด ช่องว่างเปิดของแหวนลูกสูบเครื่องยนต์สันดาปภายในมักอยู่ที่ 0.4~0.8 มม.) เพื่อป้องกันไม่ให้แหวนลูกสูบติดอยู่ในกระบอกสูบเมื่อได้รับความร้อนและขยายตัว หลังจากติดตั้งแหวนลูกสูบในร่องแหวนแล้ว ควรมีช่องว่างในแนวดิ่งด้วย (เรียกว่าช่องว่างด้านข้าง ช่องว่างด้านข้างของแหวนลูกสูบเครื่องยนต์สันดาปภายในมักอยู่ที่ 0.08-0.16 มม.) เมื่อติดตั้งแหวนลูกสูบเข้ากับลูกสูบ รูเปิดของแหวนแต่ละวงควรเหลื่อมกันประมาณ 120° ถึง 180° และรูเปิดของแหวนลูกสูบควรเหลื่อมกันมากกว่า 45° จากรูที่นั่งของสลักลูกสูบ เพื่อป้องกันการรั่วซึมของก๊าซหลังจากติดตั้งแหวนลูกสูบในกระบอกสูบ
เพื่อปรับปรุงสภาพการทำงานของแหวนลูกสูบและทำให้แหวนลูกสูบและกระบอกสูบเข้ากันได้ดียิ่งขึ้น แหวนลูกสูบบางชนิดจึงใช้รูปทรงหน้าตัดที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงควรให้ความสนใจเป็นพิเศษในระหว่างการติดตั้ง รูปทรงหน้าตัดพื้นฐานของแหวนลูกสูบแบบธรรมดาคือสี่เหลี่ยมผืนผ้า แหวนสี่เหลี่ยมผืนผ้าผลิตง่ายและใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ประสิทธิภาพในการใช้งานช่วงแรกค่อนข้างต่ำ และไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นของเครื่องยนต์ได้ แหวนอัดทั่วไปนี้สามารถติดตั้งในร่องแหวนลูกสูบได้อย่างอิสระ เครื่องยนต์บางชนิดใช้โครงสร้างแหวนแบบทรงกรวย พื้นผิวการทำงานของแหวนทำเป็นมุมเอียง 0.5° ถึง 1.5° เพื่อลดพื้นที่สัมผัสระหว่างพื้นผิวการทำงานของแหวนกับผนังกระบอกสูบ และทำให้การใช้งานช่วงแรกเร็วขึ้น มุมกรวยยังมีหน้าที่ในการขูดน้ำมัน อย่างไรก็ตาม การสึกหรอของแหวนทรงกรวยนั้นเร็ว ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งาน ควรติดตั้งโดยให้ด้านเอียงลง
เครื่องยนต์สันดาปภายในบางชนิดใช้แหวนบิด โดยส่วนหนึ่งของขอบด้านบนของวงกลมด้านในหรือขอบด้านล่างของวงกลมด้านนอกของแหวนบิดจะถูกตัดออกเพื่อสร้างเป็นหน้าตัดแบบขั้นบันได หน้าตัดแบบนี้จะไม่สมมาตรทั้งด้านในและด้านนอก หลังจากที่แหวนถูกใส่เข้าไปในกระบอกสูบและถูกอัด ภายใต้การกระทำของแรงภายในที่ไม่สมมาตร จะเกิดการเอียงของหน้าตัดอย่างมาก ทำให้พื้นผิวด้านนอกของแหวนเกิดเป็นพื้นผิวเรียวที่มีส่วนบนเล็กและส่วนล่างใหญ่ ซึ่งช่วยลดขนาดของพื้นที่สัมผัสกับผนังกระบอกสูบ ทำให้แหวนเคลื่อนที่ได้ง่ายและมีผลในการขูดน้ำมันลงด้านล่าง ยิ่งไปกว่านั้น ส่วนบนและส่วนล่างของหน้าสัมผัสของแหวนจะสัมผัสกับส่วนบนและส่วนล่างของร่องแหวนในตำแหน่งที่สอดคล้องกัน ซึ่งไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพการซีลเท่านั้น แต่ยังป้องกันไม่ให้แหวนลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงในร่องและทำให้เกิดการรั่วไหลของน้ำมันและการสึกหรอ เมื่อติดตั้งแหวน จำเป็นต้องให้ความสนใจกับทิศทางขึ้นและลง ห้ามติดตั้งกลับด้าน รอยตัดด้านในควรอยู่ด้านบนและรอยตัดด้านนอกควรอยู่ด้านล่าง ในเครื่องยนต์สันดาปภายในบางประเภทที่มีภาระความร้อนสูง เพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการเกิดคราบเขม่าของแหวนลูกสูบ มักใช้แหวนลูกสูบรูปทรงสี่เหลี่ยมคางหมู ช่องว่างระหว่างหน้าตัดของแหวนกับร่องแหวนจะเปลี่ยนแปลงไปตามการแกว่งตัวด้านข้างของลูกสูบภายใต้แรงด้านข้าง ซึ่งสามารถบดขยี้คราบเขม่าในร่องแหวนและป้องกันไม่ให้แหวนลูกสูบติดแน่น แหวนชนิดนี้สามารถติดตั้งได้ตามต้องการเช่นเดียวกับแหวนลูกสูบทั่วไป
นอกจากนี้ยังมีแหวนลูกสูบแบบหน้าสัมผัสแก๊ส ซึ่งมีพื้นผิวการทำงานเป็นรูปโค้งนูน และด้านบนและด้านล่างเป็นรูปทรงลิ่มแนบไปกับผนังกระบอกสูบ ทำให้ติดตั้งได้ง่าย มีประสิทธิภาพในการหล่อลื่นที่ดี และมีการซีลที่แข็งแรง แหวนชนิดนี้มักใช้เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับเครื่องยนต์สันดาปภายใน เช่นเดียวกับแหวนอัดทั่วไป แหวนชนิดนี้สามารถติดตั้งในร่องแหวนแก๊สได้อย่างอิสระ