Поршневое кольцо

Два поршневых кольца установлены на поршне двухтактного двигателя. В центре изображения виден зазор для нижнего кольца.

Поршневое кольцо — это металлическое разрезное кольцо, которое крепится к внешнему диаметру поршня двигателя внутреннего сгорания или парового двигателя .

Основными функциями поршневых колец в двигателях являются:

1. Герметизация камеры сгорания для обеспечения минимальной потери газов в картер.
2. Улучшение теплопередачи от поршня к стенке цилиндра .
3. Поддержание надлежащего количества масла между поршнем и стенкой цилиндра.
4. Регулирование расхода моторного масла путем соскабливания масла со стенок цилиндров обратно в поддон.

Большинство поршневых колец изготавливаются из чугуна или стали .

Дизайн

Конфигурации поршневых колец:
А) Прямоугольного сечения
Б) Лицо ствола
В) краеугольный камень
D) Торсионное скручивание
E) Коническая поверхность
F) Дайки
Они также различаются по типу фиксатора:
Y) За полосой
X) Выше или ниже диапазона
Или для целей, которые работают без твердых остановок:
К) Шаг
К) Косой
Ш) Косая со ступенькой

Поршневое кольцо. Поршневое кольцо (PR) представляет собой разрезную ленту, прижатую к стенке цилиндра пружинами (S), установленными во внутреннем «мусорном кольце» (JR). Язычок (Т) удерживает уплотнение, когда кольцо расширяется и распадается.

Поршневые кольца предназначены для уплотнения зазора между поршнем и стенкой цилиндра. Если бы этот зазор был слишком мал, тепловое расширение поршня могло бы привести к заклиниванию поршня в цилиндре, что привело бы к серьезному повреждению двигателя. С другой стороны, большой зазор приведет к недостаточному уплотнению поршневых колец относительно стенок цилиндра, что приведет к чрезмерным прорывам (выхлопные газы попадают в картер) и меньшему давлению на поршень, что приведет к снижению выходной мощности двигателя.

Скольжение поршневого кольца внутри стенки цилиндра приводит к потерям на трение в двигателе. Трение, вызванное поршневыми кольцами, составляет примерно 24% от общих механических потерь двигателя на трение. Таким образом, конструкция поршневых колец представляет собой компромисс между минимизацией трения при обеспечении хорошего уплотнения и приемлемого срока службы.

Смазка поршневых колец затруднена, и это стало движущей силой улучшения качества моторного масла . Масло должно выдерживать высокие температуры и суровые условия при высокоскоростном скользящем контакте. Смазка особенно затруднена, поскольку кольца совершают колебательное движение, а не непрерывное вращение (как, например, в шейке подшипника). На пределе движения поршня кольцо останавливается и меняет направление. Это нарушает нормальный эффект масляного клина гидродинамического подшипника , снижая эффективность смазки.

Кольца также подпружинены для увеличения силы контакта и обеспечения плотного уплотнения. Усилие пружины обеспечивается либо жесткостью самого кольца, либо отдельной пружиной позади уплотнительного кольца.

Важно, чтобы кольца свободно плавали в своих канавках внутри поршня и оставались в контакте с цилиндром. Заедание колец в поршне, обычно из-за скопления продуктов сгорания или разрушения смазочного масла, может привести к отказу двигателя и является распространенной причиной отказа дизельных двигателей.

Количество колец

Уплотнение часто достигается с помощью нескольких колец, каждое из которых выполняет свою функцию, с использованием скользящего контакта металл-металл. Большинство поршней имеют как минимум два поршневых кольца на цилиндр.

Автомобильные поршневые двигатели обычно имеют три кольца на цилиндр. Два верхних кольца, известные как компрессионные кольца , в первую очередь предназначены для герметизации камеры сгорания. Нижнее кольцо, известное как маслораспределительное кольцо , предназначено в первую очередь для контроля подачи масла к стенке цилиндра для смазки юбки поршня и маслосъемных колец.

Кольцевая конструкция

Компрессионные кольца в автомобильном двигателе обычно имеют прямоугольное или трапецеидальное поперечное сечение. Верхнее компрессионное кольцо обычно имеет бочкообразный профиль по периферии, тогда как нижнее компрессионное кольцо обычно имеет коническую поверхность. В некоторых двигателях также используется коническая поверхность верхнего кольца, а в прошлом использовались простые кольца с гладкой поверхностью.

Маслосъемные кольца обычно изготавливаются из цельного куска чугуна, нескольких кусков стали или стали/железа с подложкой из винтовой пружины для создания напряжения, необходимого для плотного уплотнения. Чугунные маслосъемные кольца и кольца с винтовой пружинной основой имеют две скребковые площадки различной детальной формы. С другой стороны, составные стальные маслосъемные кольца обычно состоят из двух тонких стальных колец (называемых направляющими ) с распорно-расширительной пружиной между ними, которая удерживает две направляющие отдельно и обеспечивает радиальное давление.

Зазор в поршневом кольце сжимается до нескольких тысячных дюйма, когда он находится внутри отверстия цилиндра. Формы кольцевого зазора включают квадратный вырез, угловой разрез, угловое соединение, ступенчатый разрез, шаг крючка и шаг под углом.

История

Паровая машина с тремя поршневыми кольцами в точке D.

Подпружиненные поршневые кольца

В первых паровых двигателях для герметизации камеры сгорания использовалась пеньковая набивка. что вызывало высокое сопротивление трению и не обеспечивало очень эффективного уплотнения.

Первое использование поршневых колец в цилиндрах парового двигателя появилось в 1825 году Нилом Снодграссом , инженером из Глазго и владельцем мельницы, для использования в его собственных машинах. При этом использовались пружины, обеспечивающие паронепроницаемость уплотнения. При использовании на мельнице это было опробовано на пароходе «Каледония», курсировавшем по Гарелоху .

Современный дизайн металлического разъемного кольца был изобретен Джоном Рэмсботтомом в 1850-х годах. Первоначальный дизайн Рэмсботтома в 1852 году имел круглую форму, однако он изнашивался неравномерно и не имел успеха. В 1854 году было заявлено, что срок службы обновленной конструкции составляет до 4000 миль (6437 км). Это было основано на открытии, что идеально круглое (до установки) кольцо с разрезом не оказывает равномерного давления на стенки цилиндра после установки. Модифицированное поршневое кольцо было изготовлено некруглой формы, чтобы после установки в цилиндр оно оказывало равномерное давление. Патент 1855 года задокументировал это изменение. Переход на металлические поршневые кольца резко снизил сопротивление трения, утечку пара и массу поршня, что привело к значительному увеличению мощности и эффективности, а также увеличению интервалов технического обслуживания.

Износ двигателя

Поршневые кольца подвержены износу при движении вверх и вниз по отверстию цилиндра из-за собственной нагрузки и газовой нагрузки, действующей на кольцо. Чтобы свести это к минимуму, они изготавливаются из износостойких материалов, таких как чугун и сталь, и покрываются или обрабатываются для повышения износостойкости. Покрытия, используемые в современных мотоциклах, включают хром , нитрид , или керамическое покрытие, полученное методом плазменного осаждения или физическое осаждение из паровой фазы (PVD). Большинство современных дизельных двигателей имеют верхние кольца с модифицированным хромовым покрытием (известным как CKS или GDC). который имеет частицы оксида алюминия или алмаза соответственно, включенные в хромированную поверхность.

В двухтактных двигателях конструкция каналов также является важным фактором, влияющим на срок службы поршневых колец.

См. также

• Цилиндр (двигатель)
• Список автозапчастей
• Обтураторное кольцо