Уплотнение термических зазоров поршень-цилиндр в автомобильных моторах представляет собой серьёзную техническую задачу. За исключением совсем уж экзотических случаев, вопрос решается применением нескольких разрезных упругих колец с небольшим нормированным зазором в месте стыка.
Как правило, функционально два или три поршневых кольца разные, каждое оптимизировано под относительно узкую задачу. Отличаются они также по применяемым материалам, технологии изготовления и геометрической форме.
Компрессионные и маслосъёмные
Верхние кольца, обычно их два, но встречаются конструкции и с одиночным уплотнением, непосредственно обеспечивают компрессию в цилиндре, то есть максимально препятствуют утечке рабочих газов через зазор. Сам зазор необходим, поскольку при всех мерах по соблюдению одинаковых тепловых коэффициентов расширения между материалами блока и поршней, одинаковыми их диаметры быть не могут. Слишком сильно отличается их температура, причём на разную величину в различных режимах работы двигателя.
Компрессионные кольца, обладая долговременной упругостью, способны всегда плотно прилегать к стенкам цилиндра наружной поверхностью. Зазор между внутренней кромкой кольца и поршнем переменный, но уплотнение всё же будет обеспечено за счёт помещения колец в канавки, проточенные по окружности поршня. Тепловой же зазор в стыке самого кольца минимален, и при правильной ориентации относительно других колец сильно компрессию не понизит.
Нижнее кольцо имеет иное назначение. Оно призвано снимать со стенок излишки масла, оставляя лишь строго определённое его количество для смазки деталей. Лишнее масло попадает во внутреннюю структуру наборного маслосъёмного кольца и стекает обратно в картер через специальные отверстия.
Применяемые материалы
Исторически было принято использовать для изготовления колец чугун. Обычно легированный. Такой материал обеспечивает относительно небольшое трение в условиях минимального количества масла, обладает высокой устойчивостью к износу и достаточной упругостью в рабочем диапазоне температур.
Однако в последнее время двигатели стали работать на более высоких оборотах номинальной мощности, показатели давления в цилиндрах выросли, температура газов, особенно попадающих на верхнее кольцо, стала критической. При этом толщина колец для улучшения характеристик двигателя снизилась. Прочности чугуна уже не хватает. Выход из положения нашли в применении специальных сортов легированной стали. А рабочие поверхности колец для снижения трения и повышения стойкости к износу покрывают хромом, иногда и соединениями титана.
Профиль кольца
В теории это простой цилиндр, но на практике срез кольца представляет собой достаточно сложную геометрическую фигуру. Всё зависит от дополнительных функций по удалению масла, снижению трения, исключению задиров на стенках цилиндра, борьбе с образованием нагара. Должно быть также нормировано насосное действие кольца, из-за которого оно, перемещаясь в канавке, способно переносить масло в камеру сгорания.
Особенно сложна конструкция маслосъёмных колец. Обычно оно состоит из двух плоских деталей, между которыми расположен пружинящий расширитель. Подобная полая конструкция способствует эффективному удалению масла.
Выбор деталей
Кольца очень технологичны и сложны в изготовлении, поэтому предпочитать надо исключительно изделия проверенных производителей, давно специализирующихся на их разработке и изготовлении. Без солидной исследовательской базы и большого опыта тут делать нечего. Каждое кольцо должно отвечать требованиям разработчика мотора, а они ориентируются только на лидеров отрасли.
Для европейских машин лучше применять изделия от Goetze (компания входит в группу Federal-Mogul) или Kolbenschmidt (MSI). Часто именно такие детали упаковывают поставщики оригинала. Лучшие азиатские фирмы – Riken, NPR и Tanaka Piston. Их продукция также поставляется на конвейеры.
Чем дальше усложняются моторы, увеличивается их удельная отдача и быстроходность, тем в более тяжёлых условиях приходится трудиться поршневым кольцам. Производители вынуждены постоянно повышать их наукоёмкость и конкурентоспособность двигателей, где кольца являются одним из самых слабых и проблемных мест. Поэтому не стоит удивляться их высокой цене. Это неизбежная плата за совершенство современного автомобильного двигателя.
