Как работают поршневые кольца (часть 4)

Другие части тут: Часть1, Часть2, Часть3

Как поршневые кольца охлаждают поршень?

   Первое компрессионное кольцо расположено на головке поршня и непосредственно контактирует с раскаленными газами камеры сгорания. Иллюстрация ниже изображает поперечное сечение двигателя, работающего с частотой 2000 оборотов в минуту с полной нагрузкой. Цифры обозначяют температуру в градусах Цельсия.

 Мы видим, что в области поршневых колец температура варьируется от 184 до 201 градуса Цельсия. Тепловая энергия поршней через кольца передается стенкам цилиндра, а от них она передается охлаждающей жидкости или воздуху в случае двигателей с воздушным охлаждением.

   Приведенная ниже таблица показывает распределение теплоотдачи при различных режимах работы двигателя. Хорошо видно, что порядка 30 процентов теплоотдачи происходит через первое компрессионное кольцо, около 20 процентов через второе компрессионное кольцо и порядка 15 процентов через маслосъемное кольцо. Таким образом, через кольца приходится около 65-70 процентов всей теплоотдачи поршня.

   Так как кольца плотно прилегают как к поршню, так и к стенкам цилиндра они поглощают тепло от поршня и проводят его в стенки цилиндра. 

   Инженеры, разрабатывающие поршневые  кольца всегда учитывают их теплоотводящую функцию при выборе материалов, из которых будет изготовлено кольцо и при расчете их размеров для того, чтобы они в полной мере выполняли свою функцию охлаждения поршня. 

   Владельцы машин и различных механизмов, оснащенных двигателем внутреннего сгорания едины в своем стремлении экономить топливо и как можно реже менять моторное масло. Поэтому рабочая поверхность поршневого кольца должна иметь такое покрытие, которое обеспечит максимально низкую силу контактного трения, но в то же время кольцо должно плотно прилегать к стенке цилиндра, чтобы обеспечить герметичность камеры сгорания. Несмотря на то, что рабочая поверхность кольца скользит по тонкому слою моторного масла, сила трения может быть достаточно большой. Поэтому конструирование поршневых колец, обладающих минимально возможным трением, является еще одной непростой задачей, которую решают инженеры.

   Несмотря на то, что хромирование и нитрование хорошо зарекомендовали себя как хороший способ снижения трения колец, имеющиеся тенденции развития двигателестроения заставляют инженеров постоянно заниматься исследованиями и разработкой новых технологий и материалов для изготовления колец чтобы удовлетворить постоянно растущие требования.

   Разновидности обработки поверхностей колец.

   Для первого компрессионного используется PDV технология нанесения специального покрытия. Эта технология показала свою высокую эффективность. PDV технология (Physical vapor deposition) - которая по-русски звучит как плазменное напыление или ионное напыление заключается в том, что выбранное вещество переводится в состояние плазмы и направляется на нужную поверхность, где осаждается, образуя тонкую пленку. С помощью этой технологии рабочая поверхность первого компрессионного кольца покрывается слоем нитрида хрома (CrN), что позволяет обеспечить:

1. Низкий коэффициент трения.
2. Высокую твердость.
3. Высокую прочность связи слоя покрытия с материалом самого кольца.
4. Высокую стойкость к истиранию.

   Представленная ниже таблица показывает несколько вариантов ионного напыления

   Для второго компрессионного используются следующие технологии обработки рабочей поверхности.

   Нитрование - это технология, позволяющая образовать твердый слой на поверхности материала. Она основана на том, что атомы азота проникают в поверхность металла в результате чего она приобретает высокую твердость.  

   В приведенной ниже таблице мы рассмотрим различные варианты технологии нитрования.

   Для обработки маслосъемного кольца используются как ионное напыление, так и азотирование или хромирование.

   Материалы, из которых изготавливаются поршневые кольца должны отвечать определенным требованиям, для того, чтобы кольцо выполняло свои функции в самых тяжелых условиях. Более того эти характеристики должны сохраняться на весь межремонтный интервал работы двигателя. Какие же это требования:

   Прочность - материал кольца должен выдерживать большую механическую нагрузку на протяжении длительного времени.

   Эластичность - материал должен обеспечивать кольцу пружинящие свойства, которые необходимы, для того, чтобы рабочая поверхность кольца была плотно прижата к стенкам цилиндра.

   Коррозионная стойкость - материал колец должен быть устойчив к агрессивному химическому и физическому воздействию продуктов сгорания топлива в условиях высоких температур и давления на длительном временном промежутке.

   Качество поверхности - материал из которого изготавливаются кольца должен иметь такую поверхность, на которую будет хорошо наноситься и держаться специальное покрытие рабочих поверхностей.

   Легкость  - чем меньшим весом будет обладать кольцо, тем меньше будут потери энергии на высокоскоростных режимах работы двигателя. Так же чем меньше вес кольца, тем меньше в нем напряжение при его функционировании.

   Долговечность - материалы их которых изготавливаются кольца должны служить весь расчетный период работы двигателя.

   Чугун был и остается основным материалом для изготовления поршневых колец. Однако технический  дизайн двигателей с течением времени меняется. Для того, чтобы успевать за растущими техническими требованиями двигателестроения меняются материалы используемые для изготовления колец. На смену чугуну приходит сталь. Это происходит из-за того что:

1. Сталь прочнее чугуна, поэтому стальные кольца тоньше и легче чугунных. Даже лучшие сорта чугуна не обладают такой прочностью, как сталь.
2. Сталь обладает большей жаропрочностью, чем чугун, поэтому стальные кольца менее подвержены деформациям с течением времени.
3. Сталь обладает прекрасными свойствами для нанесения различных специальных покрытий на рабочую поверхность кольца.
4. Сталь обладает большей эластичностью, чем чугун, поэтому стальные кольца имеют большую пружинность, чем чугунные.

Для того, чтобы передать нам изображения, замеры деталей либо другую оперативно требующуюся информацию, используйте программы Whatsapp, Viber или Skype. Контактный телефон:
8-913-715-57-58, 8-913-7-4444-69
skype: stars_novosibirsk