Устройство и работа верхних компрессионных поршневых колец

На каждый поршень двигателя практически всегда устанавливают по три кольца. Верхнее и среднее – компрессионные, нижнее – маслосъемное. Особенности устройства и работы маслосъемных поршневых колец мы рассматривали в отдельной статье, а прямо здесь попробуем разобраться, что представляют собой и как работают верхние компрессионные кольца.

Такая информация может помочь при диагностике неисправностей двигателя автомобиля, а так же при подборе колец к его поршням.

Для чего нужно верхнее компрессионное кольцо?

Главная функция верхних компрессионных поршневых колец — герметизация камеры сгорания. Это первостепенная задача этого кольца. Оно создает определенное уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра. Тем самым предотвращается прорыв раскаленных газов из камеры сгорания в картер двигателя. Именно верхнее компрессионное кольцо берет на себя основной удар и принимает на себя около 90% всего давления в цилиндре . Благодаря этому достигается необходимая компрессия для эффективного сгорания топливно-воздушной смеси.

Помимо этого верхнее компрессионное кольцо участвует в отводе тепла от поршня. Поршень нагревается от сгорания топлива до очень высоких температур. Верхнее компрессионное кольцо выполняет роль теплового моста: оно принимает на себя до 70% тепла от днища поршня и передает его на стенки цилиндра, откуда тепло уходит в систему охлаждения . Это защищает поршень от перегрева, прогаров и разрушения.

Устройство верхнего компрессионного кольца

Материал изготовления

Чаще всего верхние компрессионные кольца изготавливается из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Такой чугун очень прочен (его предел прочности 1100-1300 МПа), но вместе с тем совсем не хрупок и способен к некоторой деформации. Что играет решающую роль при работе колец в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.

Характеристики верхних компрессионных поршневых колец

Основная характеристика верхнего компрессионного кольца – это упругость. То есть, находясь в цилиндре двигателя автомобиля, оно должно с определенной силой давить на его стенки. Чтобы не допустить прорыва газов из камеры сгорания под поршень. Вместе с тем это давление не должно быть слишком большим, что бы не вызвать усиленный износ трущихся поверхностей.

Помимо этого, у верхних компрессионных колец, увеличивают жесткость в районе разреза (замка). Она тут, обычно, в 1,4-1,6 раза выше, чем по окружности. Что сразу же повышает давление кольца на стенку цилиндра в этой зоне. Это необходимо, так как при износе поршневого кольца, сила его давления на стенки цилиндра уменьшается, прежде всего, именно тут. Появляется зазор, и газы начинают прорываться под поршень.

Так же особые требования предъявляются к толщине верхних компрессионных поршневых колец. Так как, например, более тонкое кольцо лучше прирабатывается в цилиндре, при его работе снижаются потери мощности на трение. Но вместе с тем быстрее изнашивается. А более толстое поршневое кольцо стойко к износу, лучше уплотняет, но склонно к задирам и прижогам. На большинстве двигателей автомобилей ВАЗ, рассматриваемых на нашем сайте, толщина верхних компрессионных колец не превышает 1,5 мм.

Точное значение упругости и толщины колец рассчитывается на заводе-изготовителе. И может быть реализовано, при изготовлении поршневых колец, только на специальном оборудовании с применение специальных технологий.

Защитное покрытие колец

Для того чтобы он противостоял износу, высокотемпературным и ударным нагрузкам эти кольца легированы никелем, хромом или молибденом. Чаще всего это хромированное покрытие толщиной 0,1-0,05 мм. Которое нанесено на них электролитическим способом. Оно позволяет значительно увеличить ресурс верхних компрессионных колец. Так как без защитного покрытия, такие кольца, а так же цилиндры двигателя в которых они перемещаются, довольно быстро бы стерлись.

Так же на верхних компресиионных кольцах может быть нанесено молибденовое покрытие. Молибден имеет большую износостойкость, легче притирается и имеет противозадирные свойства. Но он гораздо дороже. Что заметно увеличивает стоимость таких верхних компрессионных поршневых колец.

Обычно производитель увязывает материал покрытия колец с материалом цилиндров, в которых им предстоит работать. Считается, что использовать кольца с разным покрытием в одном цилиндре нельзя. Так как это может привести к непредсказуемым последствиям.

Форма верхнего компрессионного поршневого кольца

Некоторые производители поршневых колец делают внешний профиль верхнего компрессионного кольца полукруглым — в виде т.н. «бочки». Такая форма позволяет кольцу быстро притереться в цилиндре. И не создать там задиров, рисок и прижогов. Кольцо с бочкой можно устанавливать в цилиндр двигателя любой стороной.

Помимо этого внешний профиль у верхних компрессионных колец может быть в виде несимметричной «бочки». Которая получается при наличии небольшой фаски на поверхности кольца.

Несимметричная «бочка» становится симметричной уже в цилиндре двигателя при сжатии кольца. И так же способствует быстрой приработке кольца в цилиндре. Такое кольцо необходимо устанавливать в цилиндр только в одном положении. Меткой TOP (европейские кольца), либо лункой (американские кольца) вверх. Эта метка нанесена на верхнюю поверхность верхнего компрессионного кольца.

Особенности работы верхних компрессионных поршневых колец двигателя

Зная как работают верхние компрессионные кольца на поршне двигателя можно понять почему в верхней части цилиндров образуется выработка.

Во первых, они принимают на себя большую часть давления газов, образующихся при сгорании рабочей топливной смеси в камерах сгорания двигателя. Это приблизительно 5,5-6,0 МПа.

Во вторых, верхние компрессионные поршневые кольца отводят более двух третей тепла образующегося при сгорании топлива на стенки цилиндров. Сами кольца при этом разогреваются до 200-250 гр. по Цельсию. Что не мало.

При этом, при повышении давления в цилиндрах, во время работы двигателя, увеличивается усилие прижатия верхнего компрессионного кольца к стенкам цилиндра. В верхней части цилиндра кольцо замедляет свое движение. И продавливает имеющуюся на ней масляную пленку. При достижении верхней мертвой точки кольцо вообще останавливается фактически на сухую. Возникает так называемый эффект полусухого трения, который приводит к усиленному износу (выработке) верхней части стенок цилиндра двигателя, в месте контакта с верхними компрессионными кольцами поршня.

Эту выработку на двигателях с пробегом можно увидеть невооруженным взглядом и ощутить при прикосновении. См. «Как определить износ (выработку) цилиндров двигателя?».

Неисправности верхних компрессионных колец поршней двигателя автомобиля

Основная неисправность колец — это их износ. Помимо этого возможна их поломка при детонации в двигателе, когда они подвергаются запредельным ударным нагрузкам. Так же износ и поломка возможны если установлена деталь низкого качества. В некоторых случаях, например при неверном подборе поршневых колец к двигателю, бывает увеличен или, наоборот, уменьшен зазор в замке (разрезе) кольца. При увеличенном зазоре, газы будут прорываться под кольцо. При уменьшенном или при его отсутствии, произойдет поломка и разрушение кольца. Поэтому, при установке колец в цилиндры двигателя следует тщательно измерить величину зазора в их замках. См. «Проверка зазоров поршневых колец двигателя».