Для чего нужны и как работают поршневые кольца двигателя

Назначение и устройство поршневых колец

Для лучшего понимания нюансов касательно диагностики неисправности и замены поршневых колец необходимо сначала рассмотреть их устройство и назначение. Поршневые кольца обеспечивают необходимую герметичность камеры сгорания (надпоршневого пространства) в процессе совершения поршнем возвратно-поступательных движений. Кольца бывают:

• компрессионными — верхнее (первое) и второе (среднее, промежуточное) кольцо;
• маслосъёмное кольцо (нижнее);

Компрессионные кольца не позволяют газам из камеры сгорания попадать в картер ДВС. Маслосъёмные кольца осуществляют удаление масла со стенок цилиндра и предотвращают проникновение смазки в камеру сгорания. Кольца имеют немного овальную форму и не являются цельными, так как имеют разрез. Такой разрез называется замком поршневого кольца. Также поршневые кольца обеспечивают до 50% отвода тепла и эффективно охлаждают поршень. Через кольца избыточный нагрев передается на стенки цилиндров. По этой причине к материалам изготовления колец выдвигаются особые требования, так как они подвержены не только механическим, но и температурным нагрузкам.

Поршневые кольца являются стальными или чугунными деталями, которые имеют определенную упругость и способны пружинить. Указанные кольца устанавливаются на головку поршня, то есть на верхнюю часть. На головке выполнены специальные канавки для установки поршневых колец. Поршневые кольца дополнительно покрываются легирующим материалом, который обеспечивает деталям повышенную прочность и добавляет стойкости к износу. Торцевая часть колец имеет специальную форму «бочки», а также покрыта особым антифрикционным легирующим составом.

На торцевую часть колец, которая контактирует со стенками цилиндра, в качестве покрытия наносится олово или медь. Нанесение данного материала обусловлено задачей качественной притирки (приработки) поршневых колец после сборки нового двигателя или проведения капитального ремонта ДВС.

Добавим, что поршневые кольца специально не изготавливаются из высокопрочной легированной стали, так как такие кольца не смогут нормально притереться в цилиндре двигателя. По этой причине инженеры и производители всегда выдерживают определенный баланс для достижения необходимой прочности колец, при этом сохранив способность приработки. Решением стало указанное выше нанесение сплавов на поверхность детали.

Виды и функции

Почти во всех двигателях установлены 2 типа поршневых колец: компрессионные и маслосъемные.

Компрессионные

Компрессионные кольца (от трех до семи штук) вставляются в специальные пазы в верхней части поршня.

Они обеспечивают герметичность камеры сгорания, участвуют в передаче тепла от поршня к гильзе цилиндра, а также поглощают часть поршневых колебаний из-за боковой тяги.

Верхнее компрессионное кольцо имеет несколько конфигураций: оно может быть плоским, перекрученным или с L-образным участком. Верхняя и нижняя поверхности перекрученного кольца лежат в канавке под легким наклоном, контактируя с отверстием цилиндра только  краями рабочей стороны.

Изделия с L-образным участком отличаются конструкцией большого выступа, имеющего форму буквы L. Уплотнительная способность таких колец зависит от силы давления газов, которая действует на заднюю часть выступа. При высоком давлении в цилиндре – например, после сгорания топливовоздушной смеси или в такте сжатия – кольца с L-образным участком увеличивают усилие, прикладываемое к стенкам. Когда давление в цилиндре низкое, они ослабляются, тем самым снижая трение и износ.

Второе (нижнее) компрессионное кольцо дополняет работу маслосъемного и обеспечивает уплотняющую функцию. Оно препятствует попаданию газов в картер, предотвращает детонацию и проникновение излишков моторного масла в камеру сгорания.

Некоторые кольца специально сделаны скошенными – для большей эффективности в удалении масла со стенок цилиндра при движении вниз. Новыми конструкциями являются кольца без зазора. Их использование способствует скорейшей приработке двигателя и более высокой мощности ДВС.

Маслосъемное кольцо

Благодаря маслосъемному кольцу с компрессионных колец, поршня и внутренней стенки цилиндра удаляется лишнее моторное масло.

После его прохода на поверхностях остается небольшая масляная пленка (толщиной в несколько микрон). В канавке маслосъемного кольца предусмотрены прорези или радиальные отверстия, по которым излишки масла возвращаются в поддон.

Выделяют 2 вида маслосъемных колец: цельные и составные. Последние состоят из двух тонких колец, а также осевого и радиального расширителей. Такие модели дешевле в производстве, поэтому встречаются чаще, чем чугунные цельные.

В некоторых случаях на поршень устанавливается не по одному, а по два цельных или составных кольца.

Принцип работы

Во время рабочего хода поршня давление прижимает первое компрессионное кольцо к нижней стенке канавки. Сверху него образуется зазор, в который устремляются газы. Зайдя за кольцо, они отталкивают его от поршня и прижимают к стенке цилиндра. Создается надежное уплотнение и интенсивный отвод тепла от поршня.

При залегании колец и заполнении зазоров нагаром, деталь недостаточно прижимается к гильзе, хуже уплотняет и не может отвести тепло. Результатом является расход масла, падение мощности, прорыв газов в картер и местный перегрев поршня.
Часть газов, прошедших в тепловой зазор, упирается во второе компрессионное кольцо. Оно тоже тормозит их продвижение, а также помогает маслосъемному снимать масляную пленку. Маслосъемное кольцо гонит перед собой смазку вниз по втулке цилиндра, возвращая его в поддон через отверстия в кольцевой канавке поршня.
Устройство поршневых уплотнений может быть различным, в зависимости от идей, заложенных разработчиками: отличаются их сечения, конфигурации замков и так далее. Задача владельца автомобиля — корректно их эксплуатировать, ну а тех, кто занимается ремонтом — знать, как правильно установить поршневые кольца.

Как выбирать поршневые кольца?

К выбору запчастей нужно подойти со всей серьезностью. Не стоит покупать недорогие детали, потому как прослужат они мало, и придется их снова менять. Внимательно рассмотрите комплект на предмет отсутствия сколов или повреждений. Лучше предпочесть поршневые круги с надписью, обозначающей вверх изделия. Например, запчасти GMP соответствуют всем техническим характеристикам качества.

Признаки износа поршневых колец

Чтобы понять, надо ли менять поршневые кольца, необходимо  изучить симптомы, которые прямо или косвенно укажут на необходимость такой замены. Сразу отметим, что не стоит рассчитывать на ту сумму, которую изначально озвучил механик или автосервис в ответ на вопрос заказчика, сколько стоит замена поршневых колец.

Дело в том, что поменять только поршневые кольца и полностью решить проблему зачастую не удается, так как после вскрытия мотора обычно выявляются дополнительные скрытые дефекты. По этой причине необходимо заранее быть готовым к более серьезным расходам на ремонт двигателя.

Надвигающаяся замена поршневых колец определяется по следующим признакам:

• двигатель теряет мощность;
• машина очень плохо заводится «на холодную»;
• в отдельных случаях мотор с трудом запускается «на горячую»;
• наблюдается повышенный расход моторного масла;
• двигатель дымит синим или серым дымом;
• увеличивается расход топлива;

От общего состояния колец и всей ЦПГ зависит показатель компрессии, по которому можно определить состояние мотора. Обычно при описанных выше симптомах компрессия в цилиндрах снижается, растет давление картерных газов.

Потеря мощности, повышение расхода топлива и затрудненный запуск чаще всего являются главными причинами, которые заставляют владельца менять поршневые кольца или делать комплексный ремонт ДВС. Силовой агрегат с неисправными кольцами плохо заводится, особенно после простоя в холодное время года. При езде под нагрузкой такой двигатель не «тянет».

Неисправности поршневых колец могут быть вызваны естественным износом, а также перегревом двигателя. Во втором случае даже на новом моторе кольца теряют свои свойства и перестают выполнять прямое назначение. Наиболее подвержены перегреву маслосъёмные кольца коробчатого типа.

Значительный расход моторного масла часто возникает по причине того, что изношенное маслосъемное кольцо не убирает в должном количестве масло со стенок цилиндров и активно пропускает смазку через неплотности в камеру сгорания. Результатом становится закоксовка и дымление двигателя. Также остатки несгоревшего в двигателе масла активно загрязняют систему выпуска, выводя из строя фильтры и катализаторы. Проблема еще больше усугубляется.

Для точной диагностики состояния ЦПГ замеры компрессии необходимо подкреплять анализом цвета и содержания выхлопных газов. Дело в том, что ухудшение качества уплотнения поршневыми кольцами может компенсироваться моторным маслом. В этом случае показатель компрессии бывает приближен к допустимому, при этом расход масла все равно будет увеличен.

Помните, эксплуатация двигателя с изношенными кольцами заставляет в значительной мере прогрессировать износ зеркала цилиндра.  По этой причине менять поршневые кольца необходимо как можно раньше после точного определения неисправности. Данная рекомендация поможет избежать увеличения стоимости последующего ремонта двигателя.

Повышенный расход топлива в случае проблем с поршневыми кольцами возникает в результате того, что  компрессия снижена и мощность упала. Параллельно с этим водитель продолжает ездить в привычном темпе, сильнее нажимая на педаль газа для компенсации потерь.  В результате в цилиндры попадает обогащенная топливно-воздушная смесь, которая не полностью сгорает. Свечи зажигания в подобных условиях часто заливает топливом.

Еще одним неприятным моментом является попадание бензина или солярки через изношенные поршневые кольца в картер двигателя и последующее перемешивание горючего с моторным маслом. Масло в системе смазки разжижается, теряет свои защитные и другие полезные свойства, а износ нагруженных деталей ЦПГ и КШМ при этом сильно возрастает.

Добавим, что сегодня достаточно широко распространена практика использования присадки для очистки поршневых колец в масло или в топливо. Также владельцы иногда заливают в цилиндры так называемую раскоксовку двигателя. Это делается для того, чтобы почистить нагар в камере сгорания и попытаться вернуть подвижность залегающим поршневым кольцам для увеличения компрессии.

Необходимо отметить, что при появлении явных признаков неисправности (сильное дымление, большой расход масла, низкая компрессия и т.д.) присадка вместо замены поршневых колец является или временной мерой, или вовсе не помогает исправить ситуацию.

Диагностика ЦПГ

Более всего о неисправности цилиндро-поршневой группы говорит повышение давления картерных газов. При возникновении подозрений замеряют компрессию, нагнетают воздух в цилиндр, чтобы понять, где образовалась неплотность, обращают внимание на состояние свечей зажигания, приводят в порядок систему вентиляции картера, а иногда и меняют маслосъемные колпачки.

Диагностика показывает, исправна или нет цилиндро-поршневая группа в целом, а не говорит о том, что нужно поменять ту или иную деталь.

Если по совокупности показателей ЦПГ считается неисправной, нужно разбирать мотор и переходить к дефектации.

Дефектация

Дефектация на основании замеров деталей и их технического осмотра дает заключение о способе ремонта. Элементы подвергаются очистке и восстановлению, либо замене. После снятия головки блока цилиндров сразу замеряют выработку на цилиндре, эллипсность, другие дефекты и отклонения от формы.

При большой выработке ставить новые кольца в износившиеся гильзы бессмысленно. Круглая деталь не будет работать в овальной втулке. Требуется более серьезный ремонт мотора.

Если к блоку претензий нет, нужно снять поддон, и по очереди разобрать соединения нижних головок шатунов, извлечь поршни наружу. Шатунные вкладыши лучше поменять, а шатунные шейки коленчатого вала — измерить.

Сняв кольца с поршней при помощи съемника нужно их промыть и осмотреть. Возможно они просто сломаны, может залегли.

Чтобы измерить их износ, очищают самую верхнюю часть цилиндра, куда кольцо никогда не доходит, там выработка нулевая. На этом поясе и вставляют старое кольцо. Теперь с помощью набора щупов замеряют зазор. Если он выше нормы — деталь изношена.

Торцевые зазоры тоже нужно замерить, но обычно они в допуске.

Износившееся кольцо может сослужить последнюю службу: его ломают пополам, и вычищают им кольцевую канавку поршня.

Инструменты и приспособления для работы

Правильная установка поршневых колец невозможна, если у вас нет всего комплекта инструментов. Заменить его вряд ли получится, поэтому заранее подготовьте:

1. Расширительные щипцы для колец на поршень. Стоят недорого, поэтому стоит их купить.
2. Динамометрический ключ с набором головок. Зажим должен происходит с определенным усилием, которое невозможно выдержать обычным воротком.
3. Обжимка.
4. Молоточек, чтобы запрессовать детали. Очень удобна нейлоновая или деревянная киянка для этих целей.
5. Хорошие слесарные тиски.
6. Масло для смазки.
7. Ветошная тряпка, чтобы вытереть излишки.

Инструкция по правильной установке

Теперь можно рассмотреть, как правильно установить поршневые кольца. Нижеприведенная инструкция универсальна. В целом, она подойдет, как для иномарок, так и для отечественных автомобилей.

Важно только соблюдать порядок установки поршневых колец.

Подготовка

Перед заменой поршневых колец необходимо подготовить автомобиль. Делается это так:

1. Сначала обесточьте машину. Необходимо скинуть клеммы с контактов.
2. Слейте все масло – будьте аккуратны, оно может быть горячим. Также удалите охлаждайку.
3. На двигателе стоит декоративная заглушка, которая крепится на 4 болтах. Ее необходимо снять.
4. Затем снимите крышку цилиндров. После отключите вводные шланги.
5. Демонтируйте все навесные детали. Как правило, они крепятся на болтах.
6. Теперь необходимо отключить топливный шланг. В том же месте вы найдете проводок, который идет на датчик вентилятора.
7. Аккуратно вытащите термостат. В большинстве случаев он крепится на 2 болтах, но иногда имеет клипсовый фиксатор. В первом случае достаточно открутить крепеж, и вытащить термостат. По втором, его необходимо слегка сдвинуть.
8. Отсоедините генератор.
9. Затем необходимо снять ремень газораспределителя.
10. Чтобы отсоединить ремень, понадобится снять ролик и сдвинуть его.
11. Затем снимите крышку коллектора. Кстати, гайки здесь быстро засаливаются и приходят в негодность. Для удобства после замените их на новые с медным напылом.
12. Снимите головку блока цилиндров. Они фиксируются 10 болтами, которые нужно снять в четком порядке, указанном на крепеже.
13. Под машиной открутите 3 болта маслосборника, чтобы появился доступ к коленвалу.
14. Немного прокрутите его, чтобы наружу вышли поршни.

На этом подготовка закончена. Процесс почти везде одинаковый, даже на старых автомобилях. Разница может быть только в креплениях и подводах шланга.

Установка

Итак, как правильно поставить поршень? Сначала его нужно извлечь и зафиксировать в тисках. Не стесняйтесь и зажимайте крепко. Чтобы не осталось следов, проложите фанеру или доски.

Осмотрите на предмет нагара от старой смазки.

Она будет в любом случае и ее понадобится снять. Возьмите обычную зубную щетку с растворителем и снимите нагар. Проблема в том, что наборные маслосъемные кольца должны прижиматься без зазоров, а выгоревшее масло создает неравномерный слой.

Итак, как правильно ставить кольца:

1. Сначала производится установка маслосъемных колец. Вставьте пружину и плотно зафиксируйте сверху кольцо.
2. Теперь наступило время компрессионных колец. На них есть порядковые пометки.

Как правильно одеть кольца на поршень? Растягивая их руками есть высокий риск, что они просто лопнут! Чтобы в дальнейшем не бежать в автомобильный магазин, лучше воспользоваться самым недорогим расширителем, который имеет ограничитель.

Также обратите внимание на расположение замков поршневых колец.

Следуя инструкции, их метки должны располагаться равносторонним треугольником.

То есть, их метки должны стоять друг к другу под 120 градусов. Соблюдайте точную схему установки, так как случайный сдвиг увеличит расход масла, причем значительно.

Как вы можете заметить, устанавливать поршневые кольца достаточно просто, если есть нужный инструмент.

Установка в цилиндр

Для этого необходима специальная обжимка. Ее можно купить – стоит около 600 рублей. Изнутри обжимку нужно смазать толстым слоем моторного масла, чтобы улучшить проходимость.

В нее вставляется поршень и затягивается гайкой. В комплекте с обжимкой идет шестигранный ключ, которым затягивается гайка. Теперь легонько постукивайте молоточком, чтобы поршень стал на свое место. После снимите опору и уберите бугель. Далее поставьте шатун на поршень. Перед этим его необходимо щедро смазать маслом.

Устанавливая поршень, ориентируйтесь на соседние, чтобы он стал ровно. После нежно зафиксировать шатун. Сначала закручивайте болты руками, а затем затяните динамометрическим ключом. Не перестарайтесь, может легко лопнуть крепеж.

Замена на мототехнике

На скутерах и мопедах это обычная процедура, которая выполняется примерно один-два раза в сезон. Кольца в таких двигателях – расходный материал. Даже если двигатель японский, элементы поршневой группы в нем в лучшем случае тайваньские, а в большинстве – китайские.

В Японии после поломки принято от техники избавляться – дешевле и проще приобрести новый скутер. Там серьезной поломкой считается падение компрессии из-за износа колец и поршней. На самом деле ремонт сводится к замене деталей поршневой группы. Давайте рассмотрим, как ставить кольца на поршень скутера.

Проверка работы двигателя

В последнюю очередь нужно проверить работу двигателя. Запустите автомобиль и прислушайтесь к звукам. Никаких дополнительных призвуков  (металлический лязг, стук, трест) и вибраций быть не должно! Если все в порядке – то обкатайте автомобиль.

Не нужно «рвать мотор», старайтесь ездить аккуратно и только по асфальту. Более того, не стремитесь повышать обороты более 3 000. Постоянно следите за расходом масла – он должен резко упасть.

Если эффективность не повысилась, а потребление масла возросло – нужна еще одна пересборка.

Необходимо извлечь поршни, пересмотреть установку или даже купить новые кольца. Нередко проблемы возникают из-за того, что были куплены дешевые, не лицензионные запчасти с браком. Рекомендуется покупать запчасти только у официальных дилеров с сертификатом.

Интересные факты

«Вечные» поршневые кольца можно изготовить из специальной легированной стали. Однако они никогда не приработаются в цилиндре. Отсюда всегда присутствующий компромисс – между прочностью и прирабатываемостью колец. Для его преодоления кольца покрывают различными сплавами. А новые кольца (особенно на немецких моторах) часто покрыты специальным «срабатывающим» оловянистым (или медным) сплавом – в расчёте именно на приработку в начальный период эксплуатации.