При вивченні принципів роботи двигуна внутрішнього згоряння зазначалося, що ковзне з'єднання між поршнем і циліндром герметично, тобто гази, що знаходяться під тиском в надпоршневомупросторі, не проникають між поршнем і стінками циліндра в картер двигуна. Забезпечити прийнятну герметичність основне призначення поршневих кілець. При цьому необхідно зазначити, що незначна частина газів з камери згоряння все одно проникають у внутрішній простір картера навіть нового, цілком справного, двигуна. Ущільнення за допомогою поршневих кілець в техніці називається ущільненням лабіринтового типу, в ущільненнях подібного типу завжди відбувається деяка витік газів. Але цей витік на справному двигуні зазвичай лежить в діапазоні 0,5 - 1,0%.
Знаходяться в картері двигуна гази називаються картерів газами. У міру зношування циліндропоршневої групи двигуна кількість картерних газів збільшується.
Крім ущільнення поршневі кільця виконують ще два завдання. Регулюють кількість масла на стінках циліндра, необхідного для змазування, як самих кілець, так і поршня, і відводять тепло від поршня до стінок циліндра.
Призначення поршневих кілець:
- Забезпечення герметичності між поршнем і стінками циліндра.
- Регулювання кількості масла, необхідного для змазування з'єднання поршня і циліндра, і запобігання попаданню масла в камеру згоряння двигуна.
- Відведення тепла від поршня до стінок циліндра.
Ці три завдання поршневі кільця виконую в дуже важких умовах під впливом високих теплових і механічних навантажень. Теплове напруга поршневих кілець виникає під впливом гарячих робочих газів і під вплив тертя кілець об стінки циліндра, що відбувається в умовах масляного голодування у верхній частині поршня.
Успішне вирішення цих завдань вирішується як за рахунок конструкції кілець, так і правильного підбору матеріалу виготовлення кілець.
Поршневі кільця діляться на два типи:
Фотографія розрізу поршня сучасного бензинового двигуна з встановленим на нього типовим комплектом поршневих кілець відповідно до схеми, даної на верхньому малюнку.
Компресійні кільця забезпечують необхідну герметичність, а маслос'емниє кільця регулюють кількість масла на стінках циліндра. Саме регулюють, а не повністю видаляють, оскільки повне або занадто велике видалення масла призведе до масляного голодування з'єднання поршня зі стінками циліндра у верхній частині поршня і подальшого заклинювання поршня в циліндрі.
Раніше двигуни були тихохідними, і кількість поршневих кілець на одному поршні доходило до 5 - 7. Але майже всі сучасні бензинові двигуни і швидкохідні автомобільні дизельні двигуни мають на одному поршні всього три поршневих кільця - два компресійних кільця і одне маслос'емного.
Хоча поршні двигунів форсованих спортивних автомобілів, які постійно працюють на високих оборотах, можуть мати лише два кільця. А поршні дизельних автомобільних двигунів, для полегшення запуску, можуть мати чотири кільця, три з яких компресійні.
Верхнє компресійне кільце
Кільце, встановлене в канавку поршня, що знаходиться в циліндрі двигуна, має прийняти абсолютно круглу форму (це виконується, якщо сама гільза циліндра не має деформацій) і бути притиснутим до поверхні циліндра по всій зовнішнього кола поршневого кільця. Для забезпечення цього, пружне поршневі кільця виготовляється не в вигляді правильного кола, а у вигляді дуги змінного радіуса, більшого, ніж діаметр циліндра і має у вільному стані досить більший зазор (1) між кінцями кільця. При установці в циліндр кільце стискається і зазор (2) в замку кільця стає 0,15. 0,5 мм. Точне і максимально допустиме значення цього зазору вказується в технічній документації двигуна. Забезпечення регламентованої величини зазору дуже важливо, збільшений зазор сприяє прориву газів в картер двигуна і зниження потужності. Але ще небезпечніше зменшений зазор в замку поршневого кільця. Під час роботи, в результаті нагрівання кільце розширюється і при зменшеному зазорі може відбутися заклинювання поршневого кільця в циліндрі, що призведе до утворення задирів на дзеркалі циліндра, поломки межкольцевих перегородок поршня або поломки самого кільця. Тому допустимо невелике збільшення зазору, але неприпустимо зменшення зазору в замку поршневого кільця.
Провідні виробники поршневих кілець виробляють кільця з поступово зменшується через 0,1 мм зазором, таких підбираються розмірів може бути до 15.
Відсутність кінцевого зазору при одночасному зменшенні висоти кільця
Беззазорний поршневі кільця
Деякі виробники поршневих кілець випускають «беззазорний» поршневі кільця. Зрозуміло, неможливо змінити природна властивість металів до розширення при підвищенні температури, кільце, встановлене в циліндр двигуна без зазору, обов'язково заклинить. Але багато чого можна вирішити за рахунок вдалої конструкції. В цьому випадку поршневі кільця складається з двох плоских кілець, встановлених один на одного і повернених відносно один одного на 180. При цьому верхнє кільце має форму літери «L», а нижнє кільце вставлено в виїмку верхнього кільця, за рахунок чого висота такого кільця виходить не більше висоти стандартного кільця.
Колись замки поршневих кілець старих тихохідних двигунів, для зменшення прориву газів через замок кільця мали складну форму, але в сучасних високооборотних двигунах прорив газів через замок кільця незначний. Тому сучасні кільця мають тільки прямокутну форму замку.
Замки поршневих кілець
Правильна установка поршневих кілець
Змінний радіус дуги поршневого кільця береться не довільно, а розраховується для забезпечення необхідної епюри сили притиснення кільця до стінок циліндра. Під час роботи поршневі кільця зношується нерівномірно. В результаті експериментів визначено, що найбільш інтенсивно кільце зношується в районі замку. Тому початкове збільшення сили притиснення кільця в зоні замка збільшує термін служби кільця.
Але точно розрахована епюра зусиль кільця може змінитися в результаті непрофесійної установки кільця на поршень. Сучасні, дуже тонкі компресійні поршневі кільця не допускається встановлювати на поршень руками. Для цього необхідно використовувати спеціальне пристосування, що забезпечує рівномірний разжатие кільця по всьому колу і обмеження максимального разжатия.
Пристосування для установки поршневих кілець
Установка кільця руками, зі збільшеним і нерівномірним расжатіем, значно скорочує термін служби кільця.
Притиснення компресійних кілець до стінок гільзи циліндра
Притиснення поршневих кілець
На цьому малюнку видно, що гази з камери згоряння через зазор між жаровим поясом поршня і стінкою циліндра і через зазор між стінкою перегородки і поршневим кільцем потрапляють у внутрішню порожнину поршневого кільця. При цьому тиск у внутрішній порожнині верхнього компресійного кільця практично дорівнює тиску в камері згоряння.
За рахунок тиску газів на внутрішню поверхню кільця відбувається додаткове притиснення поршневого кільця до стінок циліндра. Деяка частина газів також потрапляє у внутрішню порожнину другого компресійного кільця. Оскільки перше компресійне кільце дроселює тиск газів, тиск у внутрішній порожнині другого компресійного кільця мотет дорівнювати 30 - 60%, від тиску у внутрішній порожнині першого компресійного кільця.
З урахуванням того, що всі процеси в двигуні відбуваються досить швидко, тиск з внутрішніх порожнин поршневих кілець не падає до наступного такту робочого ходу, це явище називається акумулюванням тиску. Акумулювання тиску забезпечує прийнятну роботу поршневих кілець, частково втратили свою пружність в результаті старіння або перегріву. Втратили пружність поршневі кільця будуть задовільно працювати на режимі високих навантажень двигуна, але при роботі двигуна в режимі низьких навантажень поршневі кільця не забезпечать необхідне ущільнення. Тому, справними можна вважати поршневі кільця серійного легкового автомобіля, що забезпечують притиснення до стінок циліндра за рахунок власної пружності.
Деякі виробники поршневих кілець заявляють, що до 90% зусилля притиснення поршневих кілець виникає за рахунок тиску робочих газів двигуна. Можливо, кільця з подібними технічно характеристиками підійдуть тільки для спеціальних спортивних двигунів, які постійно працюють в діапазоні високих оборотів і високих навантажень, Але навряд чи таке кільце буде успішно працювати в двигуні серійного автомобіля. Спеціально підготовлені поршневі кільця, як і багато інших деталей двигуна, можуть поліпшити роботу двигуна на строго певних режимах оборотів і навантаження. Але при цьому значно погіршити роботу двигуна на інших режимах.
Дуже важливим експлуатаційним розміром є бічний зазор між кільцем і канавкою поршня, оскільки саме від нього залежить тиск в поршневий канавці. В середньому цей зазор дорівнює 0,04. 0,08 мм. Від величини цього зазору також залежать ударні навантаження на перегородки поршневих кілець і, відповідно, гучність роботи двигуна, зростаючі при збільшенні зазору або ймовірність заклинювання (втрати рухливості) поршневих кілець при зменшенні зазору.
Багато автомеханіки вважають, що поршні не підлягають подальшій експлуатації через знос направляючої частини (спідниці) поршня, але зазвичай знос направляючої частини поршня незначний. Зрозуміло, якщо поршень не працював в режимі масляного голодування, і на поверхні поршня і стінок циліндрів не утворилися задираки.
Насправді поршень часто вибраковується через неприпустимого зносу канавки верхнього компресійного кільця.
Поршневі кільця - Висота поршневого кільця
При виробництві та висота поршневих кілець, і висота канавки поршня мають деякий розкид, тому, для забезпечення необхідного зазору, іноді буває можливість підбору поршневого кільця необхідної висоти.
Друге компресійне кільце