Усовершенствование поршневых колец.
С каждым днём технический прогресс стремительно развивается и развиваются и совершенствуются даже самые мелкие детали современных двигателей, такие как поршневые кольца. Развитие и усовершенствование поршневых колец очень важно, так как на преодоление их трения, приходится примерно 40-60% общих механических потерь в моторе. А в особо тяжёлых условиях трудится первое поршневое кольцо, на которое приходится не менее 60% потерь на трение. Так же первое кольцо, сдерживает около 50% давления всех газов в цилиндре двигателя, а при недостаточном масляном охлаждении самого поршня, пропускает через себя до 60% температурного нагрева, переходящего к поршню. Об усовершенствовании поршневых колец мы и поговорим в этой статье.
По мере совершенствования двигателей внутреннего сгорания, совершенствовались и поршни, и об этом можно подробнее почитать вот тут, а так же вот здесь. При совершенствовании поршней, канавка первого кольца со временем сдвинулась как можно ближе к камере сгорания — вверх. Это позволило уменьшить общую высоту и массу поршня, а так же позволило снизить токсичность выхлопных газов, так как сократился объём полости между стенкой цилиндра и верхним жаровым поясом поршня (попавшие в эту полость пары горючей смеси, практически не сгорают).
Постепенное приближение верхнего поршневого кольца к камере сгорания, сильно повлияло на его температуру нагрева. И чтобы сдержать рост температуры кольца, пришлось уменьшить зазор между поршнем и цилиндром. А для осуществления нормальной работы поршня с минимальным зазором и без задиров, пришлось совершенствовать технологию производства поршней, то есть очень точно профилировать геометрию поршня (чтобы избежать заклинивания и задиров, особенно на больших оборотах). Диаметр поршня в не нагретом состоянии, в верхней его части в районе жарового пояса, делают немного конусным, а при нагреве поршня, этот небольшой конус исчезает и поршень становится идеально цилиндрическим.
Существует ещё одна проблема — это износ канавок поршневых колец. Для её устранения, в легкосплавный поршень вставляют вставки из более твёрдого и износостойкого металла (на дизельных моторах это делают уже давно). Такое конструктивное решение подтолкнуло инженеров усовершенствовать и сами поршневые кольца и их термообработку. Ещё совсем недавно, покрытие рабочей поверхности кольца молибденом или хромом, считалось вполне совершенным. Но сейчас уже запустили в серию кольца, покрытые хромом полностью (по крайней мере первое поршневое кольцо). И теперь поверхность кольца (сверху и снизу), которая трётся по твёрдой вставке поршня (канавке кольца), уже изнашивается очень медленно.
Важный вопрос, который много лет решают инженеры, это из какого металла изготавливать поршневые кольца — чугун или сталь? Ещё совсем недавно традиционным металлом для колец был высокопрочный чугун (с глобулярным графитом). Этот материал для колец, отлично справлялся со своими обязанностями, пока высота колец не уменьшалась менее 2 мм. На более современных моторах, чугунные кольца делали даже 1,5 — 1,2 мм. А вот компрессионные кольца для более перспективных и совершенных двигателей, у которых высота колец не более 1,0 мм и даже 0,8 мм, начали изготавливать из стали, чугун здесь не уместен.
Современное компрессионное поршневое кольцо.
Малая высота колец, позволяет инженерам-конструкторам существенно уменьшить и высоту поршня, а от этого уменьшить и высоту самого мотора, ну и позволяет повысить компактность и жёсткость конструкции, существенно снизить инерционные силы, и от этого увеличить обороты двигателя и поднять мощность. Вот вам и целая цепочка усовершенствований, исходящая от одной маленькой детали — поршневого кольца!
К вышесказанному следует добавить, что в отличии от чугунных, стальные кольца почти никогда не ломаются, и обладают гораздо большей упругостью и стойкостью на изгиб. Но самое главное, стальные кольца меньше изнашиваются и меньше изнашиваются их канавки, а значит существенно увеличивается ресурс двигателя.
Следующим этапом развития колец — это азотирование всей поверхности стального кольца. А некоторые фирмы, например немецкая SM — «Шоттле — Моторентайле», рабочую поверхность поршневых колец покрывает титановым покрытием, и это покрытие после азотирования, превращается в нитрид титана! А нитрид титана твёрже хрома примерно в два раза. И такие кольца уже изготавливают серийно, правда для двигателей формулы 1, но как мы знаем, из спорта всё постепенно переходит и на обычные машины, так что ждать не долго.
Так же совершенствуется и механическая обработка поршневых колец. Фирма Шоттле например, разработала микрохонинговку рабочей поверхности кольца на глубину всего 0,001 мм. После такой обработки, рабочая поверхность кольца кажется матовой, и начинает блестеть только после обкатки двигателя.
Выше описанные мной современные технологии, позволяют существенно поднять ресурс двигателя. Например новый автомобиль Мерседес Актрос, имеет на поршнях своего двигателя кольца, рассчитанные на миллион километров пробега!
Второе по счёту компрессионное кольцо поршня, ничем существенно не отличается от первого, а вот третье маслосъёмное кольцо следует немного описать. При совершенствовании третьего кольца, тоже заменили чугун сталью, но на бензиновые моторы как правило устанавливают составные маслосъёмные кольца, например как на фото 2, а на дизельные двигатели устанавливают чаще П-образные кольца, как на фото 1. Но нетрудно заметить, что и маслосъёмные кольца современных двигателей, существенно похудели, то есть стали тоньше.
Отделение фирмы SM, изготавливающей кольца, о которой я уже говорил, принадлежит японской фирме NPR, и кольца этой компании уже более 15 лет поставляют в Россию, и причём даже кольца для отечественных Вазовских автомобилей. Но вот миллионного ресурса таких колец, как на престижном Мерседесе, им не достичь. Почему? Да потому, что кроме качества колец, существует ещё много технических нюансов, влияющих на ресурс деталей, и жаль, что этих нюансов на отечественных машинах до сих пор не достигли. Этих нюансов несколько, но самых важных всего четыре.
- Первый — правильная и точная геометрия цилиндра двигателя.
- Второй — высокое качество хонинговки цилиндра двигателя.
- Третий — очень качественное моторное масло и масляный фильтр.
- Четвёртый — совершенная система очистки воздуха, поступающего в двигатель и качественный воздушный фильтр.
На большинстве современных отечественных автомобилей, можно обнаружить задиры в цилиндрах двигателя даже на новых машинах, а геометрия цилиндра и его зеркала, далека от идеала. И установив в такой мотор даже суперсовершенное поршневое кольцо (кольца) от вышеописанных фирм, нормальной и долговременной работы в таком двигателе, от него не дождёшься.
Следует учесть, что даже такая мелочь (для многих ремонтников), как не совершенная и нестандартная прокладка головки блока двигателя (при стандартных моментах затяжки), может вызвать отклонение в геометрии цилиндров, а ведь многие гаражные «мастера» даже не соблюдают момент затяжки.
Ещё одно важное условие, это то, как установят поршневые кольца (ведь нужно использовать специальное приспособление, о котором я подробно написал вот здесь). Ведь стоит, при надевании на поршень, чуть перестараться с разжиманием тонкого кольца (0,8 -1,0 мм) и его можно выбрасывать. И многим будет казаться внешне, что кольцо сохранило форму, но необходимого распределения давления по окружности цилиндра уже не будет.
Хочу отметить, что большое преимущество современных азотированных стальных колец, это способность скользить по любой поверхности цилиндра. Хоть по чугунной гильзе, хоть по стали, никасилю или хрому, и даже по Керонайту. А вот кольца покрытые молибденом или хромом, не так универсальны, как азотированные кольца.
Ну и последнее. Мы все привыкли менять кольца на ремонтные, после определённого пробега. Но за рубежом перестали выпускать поршневые кольца ремонтных размеров, а почему? Ответить не сложно, ведь установка кольца с номинальным рабочим размером в цилиндр с наибольшим ремонтным размером, приведёт к увеличению в замке кольца его зазора с 0,2 — 0,4 мм до 0,35 до 0,55 мм. И даже при сохранении всех номинальных размеров, уже всего при 15 — 20 тысячах пробега, зазор в кольцах будет тоже примерно 0,35 — 0,55 мм. Так какой смысл замены колец ремонтными? Из-за каких то жалких 20 тысяч?
Вот и решили, что производство обычных ремонтных колец экономически не оправдано. Лучше бросить все силы и средства на совершенствование и колец и моторов в целом. Ведь хорошая и долговременная работа поршневых колец, с миллионным ресурсом, достигается совсем другими современными методами, к которым надо стремиться нашей отечественной промышленности, и основные четыре из которых, я описал выше. Успехов всем!
Таблица постепенного усовершенствования поршневых колец, в зависимости от года изготовления.